论文部分内容阅读
锂硫电池的理论比容量为1672mAh g-1，能量密度为2600Wh kg-1，远远高于目前商业化的锂离子电池，并且活性材料硫廉价易得且环境友好。因此，锂硫电池作为下一代储能器件受到人们的广泛关注。然而，锂硫电池的商业化却主要受到以下三个方面制约:(i)硫导电性差;(ii)多硫化合物在电解液中溶解;(iii)充放电过程中硫体积变化。 为了应对上述问题，本论文主要从材料设计的角度来提高锂硫电池的电化学性能。具体研究内容如下: (1)本论文采用溶剂热反应的方法制备了一种氧化铈/炭纳米管(CeO2@CNT)复合材料作为一种新颖的固硫材料。CeO2@CNT固硫材料具有非常独特的结构，炭纳米管形成三维多孔导电网络提供了快速的电子通道;纳米CeO2可以化学吸附多硫化合物来抑制其溶解到电解液中。由于合理的材料设计，基于CeO2@CNT固硫材料的锂硫电池表现出了高的比容量，超好的循环稳定性以及很好的倍率性能。电池在0.1C和1C时的可逆比容量分别为1359mAh g-1和715mAh g-1，在0.5C循环600次的平均每次衰减率为0.07％/次。 (2)本论文采用溶剂热反应和热处理的方法制备了一种钴酸镍/炭纳米管(NiCo2O4@CNT)复合材料作为锂硫电池的固硫材料。这种固硫材料具有非常独特的结构，炭纳米管可以沿着二维的NiCo2O4纳米片形成一种多孔的导电网络提供了快速的电子通道;而二维的NiCo2O4纳米片可以有效的吸附多硫化合物来限制它们溶解到电解液中。由于这种独特的结构，基于NiCo2O4@CNT固硫材料的锂硫电池表现出了非常高比容量，很好的倍率性能和非常好的循环稳定性。电池在0.1C和2C时的放电比容量分别为1311mAh g-1和575mAh g-1，电池在0.5C时循环1200次时的平均每次衰减率为0.038％/次。 (3)本论文在H2/Ar还原气氛中热还原MOF(ZIF-67)来制备一种炭-钴纳米盒结构材料(GC-Co)作为锂硫电池的固硫材料。在这种独特的炭-钴纳米盒材料中，炭壳可以物理限域多硫化合物进入到电解液中，而炭壳上的纳米钴金属则可有效地化学吸附多硫化合物并抑制其进入到电解液中;此外，纳米盒不仅可以为高的硫负载量提供很大的空间，而且还可以缓解放电过程中硫的体积膨胀。由于独特的材料设计，GC-Co电池表现出了非常好的倍率性能，并且在1C循环500次时的平均每次衰减率仅为0.015％/次。