基于“硫/石墨烯/硫”纳米复合结构的新型锂硫电池正极材料的研制

Over the past years there has been increasing interest to develop lithium-sulfur (Li-S) batteries for future energy storage applications. Despite their intrinsically high energy density, the sulfur-based cathode materials exhibit poor electrochemical stability and rate performance, which limit their practical applications. To solve these problems, we propose to develop novel graphene/sulfur/graphene nanocomposites-based cathode materials. The nanocomposite will be synthesized through a so-called “sauna reaction” method. It is expected that the excellent electrical conductivity and high stability of graphene as well as the strong chemical bonding between carbon and sulfur atoms should significantly improve the electrochemical performance and stability of the cathodes. Experiments will be conducted to pursue the structure-property relationship of the nanocomposite, in particular the impact of processing conditions on morphology, composition and graphene/sulfur interface structures. Theoretical work will also be conducted to gain better understanding of the electrochemical process in the Li-S batteries. The proposed research will be beneficial for the development of advanced cathode materials for the next-generation lithium ion batteries.

锂硫电池（Li-S）被认为是最具发展潜力的新型二次电池体系之一。作为正极材料，硫理论能量密度高，但是倍率性能差、使用寿命短，因此离实用化还有相当的距离。针对这些问题，本项目提出采用首创的“桑拿式反应法”合成具有“硫/石墨烯/硫”三明治结构的纳米复合正极材料。与传统的正极复合材料中活性材料与碳存在弱的物理连接不同的是，我们所开发的材料中石墨烯/硫界面存在强化学键，因而电化学性能及稳定性得以大幅提高。通过对比试验，我们将研究复合材料的形貌、成分、界面微纳结构与其电化学活性之间的关联性；结合理论计算及原位结构分析，探索充放电过程中锂离子与正极材料的相互作用规律；采用晶格调控及表面修饰等手段对复合材料进行改性。本项目的顺利实施将为开发下一代新型锂硫电池提供理论和实验依据，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

锂硫电池（Li-S battery）被认为是最具发展潜力的新型二次电池体系之一。作为正极材料，硫理论能量密度高，但是倍率性能差、循环寿命短，因此离实用化还有相当的距离。本项目研究了首创的“桑拿式反应法”用于合成具有“硫/石墨烯/硫（S/G/S）”三明治结构的纳米复合正极材料。在优化工艺条件的基础上，我们制备了“石墨烯/硫”界面存在强化学键连关系的复合正极材料，使其电化学性能及稳定性得以大幅提高（相比传统复合材料）。系统研究了复合材料的形貌、成分、界面微纳结构与其电化学活性之间的关联性；结合理论计算及原位结构分析，探索了合成过程的化学反应历程和动力学；采用晶格调控及表面修饰等手段对复合材料进行改性处理。取得了以下成果：（1）优化了氧化石墨烯结构及“桑拿式反应法”的反应条件，厘清了石墨烯表面官能团种类、密度、反应温度、反应时间、反应物化学计量比等对 S/G/S 三明治复合结构的物相、微结构及界面化学特性的影响。进一步采用第一性原理方法解析了氧化石墨烯与硫前驱物的反应历程。（2）系统测试 S/G/S 三明治复合结构作为锂硫电池正极材料的电化学性能，研究 S/G/S 复合正极材料在不同电流密度、充放电时间、循环次数下的电化学表现，探索锂离子在复合材料中的输运特性；研究复合材料在充放电过程中的结构变化。由此，我们证明了复合结构中碳-硫界面化学键是S/G/S复合物性能显著提高的主要原因。（3）探索了石墨烯的非金属原子掺杂工艺及其对 S/G/S 复合结构物理化学性能及碳硫界面成键特性的影响；研究了导电聚合物表面修饰对 S/G/S 复合结构的电化学性能的影响，以及晶格和界面控制后复合正极材料的储锂特性。项目执行期间发表SCI检索学术论文11篇，申请发明专利4项（其中获批美国专利1项），培养博士生2名，硕士生6名。