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单质硫作为锂硫二次电池正极材料具有单位质量轻、比容量高、价格低廉和环境友好等优势,在近几年得到了广泛关注。但是,单质硫自身的绝缘性和易溶于有机电解液等特点也限制了其作为电极材料的应用。本论文采用导电碳黑和多孔碳两类碳材料作为载体与单质硫进行复合,研究复合材料的结构特性和在不同电解液体系下的电化学性质,以期改善硫电极的电化学性能。
首先,采用简单热处理法制备了一系列不同硫负载量的硫-导电碳黑复合材料,通过BET、XRD和SEM等测试手段对样品的结构和形貌等进行分析,并研究了复合材料在酯类电解液LiPF6(PC/EC/DEC)和醚类电解液LiN(CF3SO2)2(DOL/DME)两种体系的电化学性能。其中,含硫量52 wt%的样品在两种电解液体系下均表现出较好的循环特性,在160 mA/g下循环50周,样品的放电比容量均保持在500 mAh/g左右。研究显示,酯类电解液具有抑制硫和多硫化物溶解的效果,样品在该体系下循环稳定性较好,但酯类电解液对于材料的制备要求较高。醚类电解液对于硫的溶解有促进作用,对于材料的制备要求较低,但循环稳定性相对较差。
为进一步研究碳材料结构对硫电极性能的影响,本论文以葡萄糖溶液作为碳源,经过水热和扩孔碳化两步反应,制备了一系列具有不同结构的多孔碳材料。其中,扩孔剂KOH与前驱物质量比为3:1时制备的多孔碳材料具有蜂窝状孔道结构,微孔孔容达到总孔体积的85%。制备的硫负载量为42 wt%的硫-蜂窝状多孔碳材料在160 mA/g下循环50周材料的放电比容量可保持在870mAh/g;在1600 mA/g的大电流密度下,放电比容量可保持在570 mAh/g,并当电流密度回落至400 mA/g后,材料的放电比容量可恢复至690 mAh/g。该蜂窝结构多孔碳材料由于其丰富的微孔和发达的介孔可有效地防止锂的多硫化物在充放电过程中的溶解现象,从而改善硫电极循环性能和高倍率性能。
总之,本论文研究了在两种电解液体系下硫碳复合材料的电化学性能,分析了其不同的电化学反应机制。制备了具有多级孔结构的碳材料,以改善硫电极循环性能和倍率性能,为实现高能量密度的锂-硫电池奠定基础。