碳纳米管/石墨烯-硫三维复合结构的构筑及电化学性能研究

The sulfur is one of the most potential candidates as electrode materials with large capacity, which is a key issue to achieve high energy density of lithium secondary batteries. However，the road for making the sulfur in practical use is still long due to its unsatisfactory manifestations in specific capacity, cycling stability and rate performance. In this proposal, the modification of sulfur by carbon nanotubes/graphene (CNTs/GNs) will be proceeded to obtain three-dimensional CNTs/GNs-S hybrid materials of different structural parameters with high-performance.In order to obtain such CNTs/GNs-S materials, the composition, mophology and structure of the as-synthesized CNTs/GNs-S will be investigated and the features and advantages of the electrochemical performance of the hybrid materials as electrodes for lithium-sulfur batteries will be explored and compared.The special phenomenon and effects during the enhancement of capacity and structure evolution process will be found based on the construction of the relationship between the microstructure and electrochemical performance of the hybrid materials. The modification mechanism of CNTs/GNs on the improvement of electrochemical performance of sulfur will be elucidated.The results of this project can lay a scientific material foundation for the application of the novel sulful-carbon hybrid materials in lithium-sulfur batteries with high specific energy and power.

单质硫是最具潜力的高容量电极材料之一，是实现高能量密度锂二次电池的关键。然而由于目前硫在比容量发挥、循环稳定性和倍率性能方面的表现并不理想，致使硫尚不能在高能锂二次电池上实际应用。本申请拟采用碳纳米管/石墨烯复合结构对单质硫进行改性处理，以设计、制备结构参数各异的高性能碳纳米管/石墨烯-硫三维复合材料为目的。通过对该硫碳复合材料的相组成、形貌和结构进行表征并对其用作锂硫电池电极材料时的电化学特性进行研究，进而得出不同结构参数的碳纳米管/石墨烯-硫在发挥各自电化学性能时的特征和优势，以筛选出具有良好电化学表现的硫碳复合材料。通过构建该硫碳电极材料微观复合结构与电化学性能之间的内在关系，以期发现经碳纳米管/石墨烯复合体改性后单质硫在容量增加和结构演变时的现象和效应，揭示并阐明碳纳米管/石墨烯在增强单质硫电化学性能方面的作用机制，为新型硫碳复合材料在高能锂硫电池上的应用奠定材料科学基础。

本项目对碳纳米管/石墨烯-硫三维复合材料的设计合成及其作为锂硫电池电极材料时的储能特性进行了研究。项目首先探索了不同结构参数碳纳米管/石墨烯复合体的化学气相沉积法制备，在此基础上，利用水热和化学沉积法设计制备出6款碳纳米管/石墨烯-硫复合电极材料，并对其电化学性能进行了系统研究和比较，从中筛选出2款高性能硫碳复合电极材料。在分析和比较所得硫碳复合材料微结构参数和电化学性能的基础上，探明了碳纳米管/石墨烯复合体在改善单质硫电化学性能方面的作用机制。此外，在对硫碳电极微结构和电化学性能研究过程中由于发现除碳质材料本身的物理吸附作用外，含氧官能团可与硫键合以抑制多硫化锂的溶解，受次启发我们还进行了兼具化学和物理吸附多硫化锂能力材料石墨烯-MnO2-S复合材料的制备和电化学性能的拓展性初步研究。通过该项目实施，共发表SCI研究论文10篇，EI研究论文1篇，申请国家发明专利2项，培养研究生4名。本项目研究结果，为以硫碳复合体系为代表的正极材料在锂硫电池中的应用提供了可供借鉴的研究思路和实验方法，同时也为锂硫电池的发展提供一定促进作用。