论文部分内容阅读
为了加快建设资源节约型社会,国家大力提倡使用节能减排效果明显的新能源汽车。目前制约其发展的突出问题是电池的续航能力不足,而解决该问题的关键因素则是开发并利用能量密度更高的电极材料。以近些年使用率最高的锂离子电池(包括磷酸铁锂,钴酸锂,锰酸锂)为例,正极材料的理论容量不足极大地限制了电池的续航能力,所以研究出有更高比容量的正极材料对推动新能源汽车产业发展来说具有重要意义。研究表明,硫比容量高达1675 m Ah g-1,是当下最有潜力的正极材料之一。但是,硫的导电性极差,循环过程中会产生80%的体积变化,且在充放电中形成的多硫化锂(Li Ps)极易溶于有机电解液,从而导致穿梭效应,这些问题都严重阻碍了其商业化进程。为解决以上问题,本文通过静电纺丝等方法,设计制备了两种柔性自支撑复合材料,充分利用多孔碳纤维的导电性与其对Li Ps的物理限制作用,以及碳纤维外的Mo S2、V2O5对Li Ps的化学吸附作用,增强了锂硫电池的循环稳定性以及倍率性能。具体方法如下:(1)首先通过静电纺丝得到纳米纤维,之后利用氧化铁(Fe Ox)的催化作用,在高温碳化下得到导电性良好的石墨化碳纳米纤维,裁取合适大小后浸入含有硫脲和二水合钼酸钠的溶液中。经180℃水热24 h,待纤维表面生长出一定厚度且具有不规则纳米片花结构的二硫化钼(Mo S2),再通过稀硝酸去除Fe Ox使其成为石墨化多孔碳纤维(G-PCNFs),最后使用熔融法将硫粉物理限制于二硫化钼片花间隙及碳纳米纤维的多孔结构中,得到S/Mo S2@G-PCNFs。该复合结构中的多孔石墨碳纤维不但提高了正极的导电率,还能减缓硫在充放电过程中的体积变化,以及物理吸附可溶性的Li Ps。更重要的是,碳纤维外的Mo S2对Li Ps具有化学吸附作用,进一步地抑制了Li Ps造成的穿梭效应,使得活性材料硫的利用率得到有效提高。另外,该正极材料具有柔性自支撑结构,可以被裁剪为任意大小来用于性能测试。最后,我们观察到在0.1 C下的第一圈放电比容量是1386m Ah g-1。在1.0 C下,第一圈放电比容量为926 m Ah g-1,在500次充放电过程中平均衰退率仅是0.089%。(2)为了解决Mo S2对容量的无贡献,且会降低正极材料中硫的质量占比,将上个实验中得到的柔性多孔碳纤维通过水热法在纤维表面包覆一定量的V2O5纳米片,使用熔融法进行多孔结构的注硫。这样得到的复合结构中,V2O5本身是一种正极材料,放电过程中得到的硫代硫酸盐不但能与Li Ps产生很强的化学吸附作用,而且还能贡献一定的容量。