介孔碳/硫复合锂-硫电池正极材料与电化学性能

Lithium-sulfur battery based on sulfur cathode materials displays high specific capcity, low electron conductivity, cycle instability. Due to the adjustable pore size, high surface area, good electron conductivity, and inteconncted porous structure, three dimensional hierarchical mesoporous carbon has advantages in immobilizing sulfur and enhancing electrochemcial performance of Li-S battery. Three dimensional hierarchical ordered mesoporous carbon materials are synthesized via a hydrothermal chemcial reaction route using silica as a hard tempelate. Sulfur is immobilized in 3D mesoporous carbon to form mesoporous S/C compoiste as cathode materials for Li-S battery,with a contronllable size, distribution, content for sulfur within pores of C matrix. The surface area, pore volume, pore size distribution, chemical bonding state of the 3D mesoporous S/C compsites are invetigated using SEM, TEM, XRD, XPS, Raman techniques. Charge-discharge technique at a constant durrent is used to study the specific capacity, cycle stability and rate capacity of Li-S battery. Cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectra are employed to characterize the electrochemical reaction process and ion intercalation and deintercalation mechanism taking place at the interface between porous carbon cathode and electrolyte. Capability fading mechanism, measures to improve cycle stability and rate capability of Li-S battery is invetigated. The synergistic effects between mesoporous carbon and sulfur, and intefacial effects on the elelctrochemical performance of S/C composite cathode is systematically analyzed and discussed. A systematic mechanism and theoretical model for enhancing electrochemical performance of mesoporous S/C composite cathode for Li-S battery is set up.

硫作为锂-硫电池正极材料虽然容量高，但其导电性差、循环性能不稳定，基于三维介孔与微孔碳的孔径可调、高比表面、导电性好、骨架相连等特点，在封装硫、改善锂-硫电池性能等具有独特的优势。本项目以介孔与微孔碳作为锂-硫电池正极固硫的基质材料，以水热化学方法制备三维有序的多孔结构碳/硫复合材料，实现硫在多孔碳内的尺寸、分布、含量等的控制，以SEM、TEM、XRD、XPS、Raman等研究材料的比表面、孔体积、孔径、化学键合态等微观结构。以恒流充放电法研究锂-硫电池的容量、循环稳定性与倍率性能。采用循环伏安与交流阻抗法研究多孔碳/硫复合电极与电解质界面发生的电化学过程与离子的嵌入和脱出机制，探讨锂-硫电池的容量衰减机制及改善循环稳定性和倍率性能的措施,分析电化学反应过程中硫与复合孔结构碳的协同作用、表界面效应等对电池电化学性能的影响规律。建立复合孔结构碳/硫复合材料增强锂-硫电池性能的机制与理论模型。

硫作为锂-硫电池正极材料虽然容量高，但其导电性差、循环性能不稳定，基于三维介孔与微孔碳的孔径可调、高比表面、导电性好、骨架相连等特点，在封装硫、改善锂-硫电池性能等具有独特的优势。本项目以介孔与微孔碳作为锂-硫电池正极固硫的基质材料，以水热化学方法制备三维有序的多孔结构碳/硫复合材料，实现硫在多孔碳内的尺寸、分布、含量等的控制，以SEM、TEM、XRD、XPS、Raman等研究材料的比表面、孔体积、孔径、化学键合态等微观结构。以恒流充放电法研究锂-硫电池的容量、循环稳定性与倍率性能。采用循环伏安与交流阻抗法研究多孔碳/硫复合电极与电解质界面发生的电化学过程与离子的嵌入和脱出机制，探讨锂-硫电池的容量衰减机制及改善循环稳定性和倍率性能的措施,分析电化学反应过程中硫与复合孔结构碳的协同作用、表界面效应等对电池电化学性能的影响规律。建立复合孔结构碳/硫复合材料增强锂-硫电池性能的机制与理论模型。.本项目研究内容基本按照申请书的研究内容进行，在原有研究内容的基础上做了适当调整。主要取得了以下研究结果：.（1）采用SiO2球作为模板，或者采用MOF作为前驱体，合成了一系列孔道结构可调的多孔碳材料进一步可以对对碳材料进行了表面功能化修饰，以及与导电石墨烯或碳纳米管复合，确定了组分和结构可调的多孔碳材料材料制备工艺。.（2）通过不同处理工艺，调控制备一系列MOF衍生的碳海绵、氧化物或金属颗粒与碳材料的复合载体材料，形成了完整的MOF衍生电极材料的制备材料体系。.（3）通过分级孔结构的碳材料的设计制备，揭示了不同孔道结构在载硫固硫中的不同作用，明确了介孔储硫、微孔固硫的策略的可行性，为物理固硫提供了理论和实验借鉴。.（4）通过多种表征方法，并结合理论计算，揭示了氧化物、氟化物、有机单宁酸以及金属颗粒的固硫作用机制，证实了化学键合、极性吸附等作用都可以有效的抑制多硫化物的溶解。.（5）揭示了高性能Li-S电池正极的设计制备是多种因素共同作用的结果，制备高性能Li-S电池正极材料需要综合考虑导电性、载硫和固硫等因素。