【摘 要】
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在众多能源存储器件中,锂硫电池凭借其高达2600 Wh kg-1的理论能量密度及其活性物质成本低、环境友好等特性受到了研究人员的广泛关注。但是,单质硫的绝缘性、多硫化锂的穿梭效应以及充放电过程中由硫到Li_2S/Li_2S_2的体积膨胀等问题,使得锂硫电池的性能大打折扣,目前为止其实际能量密度仍达不到理论能量密度的20%。为了得到更高能量密度、更长循环寿命以及更好循环稳定性的锂硫电池,相关的改进工
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在众多能源存储器件中,锂硫电池凭借其高达2600 Wh kg-1的理论能量密度及其活性物质成本低、环境友好等特性受到了研究人员的广泛关注。但是,单质硫的绝缘性、多硫化锂的穿梭效应以及充放电过程中由硫到Li2S/Li2S2的体积膨胀等问题,使得锂硫电池的性能大打折扣,目前为止其实际能量密度仍达不到理论能量密度的20%。为了得到更高能量密度、更长循环寿命以及更好循环稳定性的锂硫电池,相关的改进工作势在必行。本文主要针对多硫化锂的穿梭问题,从隔膜改性入手展开了一系列研究工作,旨在通过隔膜改性层对多硫化锂的物理和化学吸附抑制其穿梭效应,从而提升锂硫电池的电化学性能。主要内容如下:(1)使用均匀沉淀法制得纳米氧化铟(In2O3),并将其涂覆于Celgard 2400隔膜的一侧,研究In2O3涂层对锂硫电池电化学性能的影响。通过CV、EIS、充放电测试等,对比纳米In2O3改性隔膜电池和未改性Celgard 2400隔膜电池在性能上的差异。实验结果表明,纳米In2O3改性隔膜电池在1 C下的初始放电比容量为878 mAh g-1,循环700次后仍有444 mAh g-1,容量保持率为50.6%,明显优于未改性隔膜电池。这得益于In2O3对多硫化锂的吸附作用,抑制了穿梭效应,且其中的金属氧键利于S-S键的解离,加速多硫化锂向Li2S2和Li2S的转变,促进电池内部的氧化还原反应。(2)采用异相沉淀法制得科琴黑-纳米氧化铟(KB-IO)复合材料,通过刮刀涂布方法将其涂覆于Celgard 2400隔膜,并与KB改性隔膜进行对比,研究KB-IO对锂硫电池电化学性能的影响。结果表明,当正极的硫负载量为1 mg cm-2时,在1 C下循环700次后,KB-IO改性隔膜电池仍有631 mAh g-1的放电比容量,容量保持率高达60.1%,平均每周仅衰退0.06%。该电池良好的电化学性能归因于KB-IO复合纳米材料结合了KB的高导电性及其对多硫化锂较好的物理吸附作用,以及纳米In2O3对电化学反应的促进及其对多硫化锂较强的化学吸附作用。在KB-IO复合材料中,In2O3纳米颗粒均匀地镶嵌在KB孔道中,使得In2O3呈现出更小的粒径(5-10 nm),从而为多硫化锂的吸附提供更多的活性位点。为了提高电池能量密度,当电池的硫负载量提高至3 mg cm-2时,KB-IO改性隔膜电池在1 C下呈现出766 mAh g-1的初始比放电容量。且未改性隔膜电池仅有一个放电平台,而KB-IO改性隔膜电池在循环初始就呈现出了两个放电平台,放电比容量也明显高于对照组的电池。这表明了KB-IO涂层有利于硫的活化,使活性物质的利用率得到提高。
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