硫@阵列碳管/三维石墨烯基锂硫电池正极制备及储能研究

Lithium sulfur batteries have attracted significant attention due to their high specific energy density and environmental friendliness, and have wide potential applications in the field of electric vehicles, hybrid electric vehicles. However, the electrochemistry of sulfur cathode is very complex, such as the high solubility of intermediate polysulfides in electrolytes, the insulator behavior of sulfur and polysulfides, the performance, especially the capacitance and cyclability need to be significantly improved. Herein, the purpose of this project is planned to encapsulate sulfur into vertically aligned CNTs/3D graphene substrate. The confinement effect of CNT will prohibit the dissolve of electroactive polysulfides, and reduce the structural degradation by providing high conductivity together with high volume of inner tube space. This project will examine the best loading method for sulfur cathode, tuning sulfur content, adjust of sulfur@CNTs/3D graphene structure and will provide guidance for researchers to design Li-sulfur cathode materials. It is expected to provide theoretical understanding and frontier technologies guidance for Li-sulfur based batteries for electric vehicles application.

锂硫电池作为一种新型电池体系，以其高能量密度和环境友好的特点而引起极大的关注，将会成为下一代动力、混合动力汽车的储能系统。由于硫正极电化学反应复杂，中间产物多硫化物易溶于电解质，硫和中间产物的电绝缘性，锂硫电池的容量、循环性、安全性都需要大幅提高。本项目拟将单质硫装载入阵列CNTs/三维石墨烯内部，通过阵列CNTs对多硫化物中间产物的限制效应，防止多硫化物溶解，并以其高导电性和机械强度缓冲充放电过程中硫的体积变化。本项目研究将设计锂硫电池的最佳负载模式，通过调控硫负载量、硫@阵列CNTs/阵列CNT的结构控制，探索其对锂硫电池性能的影响，揭示硫的结构与阵列CNTs/三维石墨烯储存基底的内在联系，从而为锂硫电池正极材料的设计提供指导依据，为制备具有应用前景的动力电池用锂硫电池提供理论依据和技术基础。

锂硫电池是一种高能量密度、高比容量、环境友好的新能源技术。近年来，锂硫电池成为国内外研究的热点。尽管锂硫电池相比传统锂电有技术优势，但是仍有许多需要解决的技术问题，如单质硫及放电产物电导率低、体积形变较大，以及多硫化物中间体在电解液中的溶解，导致穿梭效应和活性物质的流失等主要问题。本项目设计开发了阵列碳纳米管，多孔空心碳球等碳纳米材料，并通过孔径调控，异元素掺杂，引入对多硫化物中间体有较强吸附的金属氧/硫化物及导电高分子等，系统考察了其作为单质硫载体的电化学特性，围绕高性能锂硫电池正极载体材料的设计和开发，提出了几种提高锂硫电池正极材料电化学活性的方案。.1. 基于阵列纳米/微米碳管电极的设计与制备：利用亚微米级碳管较大孔径，热熔法载硫后引入导电高分子二次包覆层及过渡金属氧/硫化物，达到双重固硫效果。基于微米碳管结构的锂硫电池具有优异的电化学性能，如高比容量、长循环稳定性和良好的倍率性能。同时，电极具有良好的弯折稳定性和柔韧性，为柔性和可穿戴器件的能源供应提供应用基础。.2. 设计和制备氮掺杂多孔中空碳球， N掺杂增强了碳微球对多硫化锂的化学吸附作用，并通过调整反应前驱体的比例以调控孔径大小，详细考察了孔径尺寸对于固硫效果的影响。电化学测试结果表明，碳壁孔径为5nm 的介孔碳微球的固硫效果优于碳壁孔径为3和8 纳米的碳球。介孔碳壁及异原子掺杂有效提升了硫负载量，并保持高比容量和循环稳定性。.3. 设计将过渡金属硫化物（TMS）载入介孔中空碳微球内，系统研究复合材料的锂硫电池性能。碳球内的过渡金属硫化物对多硫化物具有较强化学吸附作用，能够有效抑制穿梭效应，固硫性能优于碳纳米材料。以近原位X射线衍射分析深入探究了过渡金属硫化物固硫机制。