【摘 要】
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各类新兴电子设备以及新能源汽车的快速发展使得社会对高能量密度电池的需求逐渐增加,锂硫电池凭借其2600 Wh/kg高理论能量密度以及原料硫储量丰富、价格低廉等优势成为最具潜力的下一代高比能二次电池。然而由于充放电过程中间产物多硫化物（Li PSs）溶于电解液导致的“穿梭效应”以及固-液/液-固相之间电化学反应动力学迟缓,造成锂硫电池存在循环稳定性较差、高倍率下容量较低等问题,严重阻碍了锂硫电池的商
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各类新兴电子设备以及新能源汽车的快速发展使得社会对高能量密度电池的需求逐渐增加,锂硫电池凭借其2600 Wh/kg高理论能量密度以及原料硫储量丰富、价格低廉等优势成为最具潜力的下一代高比能二次电池。然而由于充放电过程中间产物多硫化物（Li PSs）溶于电解液导致的“穿梭效应”以及固-液/液-固相之间电化学反应动力学迟缓,造成锂硫电池存在循环稳定性较差、高倍率下容量较低等问题,严重阻碍了锂硫电池的商业化进程。为解决上述问题,本文从隔膜方面展开研究,构筑过渡金属异质结复合材料修饰的功能性隔膜。利用功能性隔膜“吸附-扩散-催化”协同作用策略,锚定多硫化物、加快离子扩散、促进加快多硫化物催化转化,最终提升锂硫电池整体性能。论文主要内容如下:（1）基于形貌可控,组分可调的普鲁士蓝类似物（Fe-Co PBA）前驱体,一步法构筑核壳结构Fe3O4/Co3O4异质结材料。基于“吸附-扩散”设计策略,独特核壳结构有利于加快Li+扩散速率及对Li PSs起到物理限域作用,金属氧化物对Li PSs具有化学锚定作用,核壳结构Fe3O4/Co3O4作为功能性隔膜修饰层有效缓解锂硫电池穿梭效应。将该材料修饰隔膜后,电池在1 C下稳定循环500次,单圈循环衰减率仅为0.056%;在2 C的高倍率下稳定循环1000次,单圈循环衰减率也仅为0.053%,显著提高电池循环稳定性。（2）利用喷雾干燥技术结合一步碳热还原法实现Fe9S10/Fe3O4@C异质结材料的规模化制备。该材料为导电碳层包覆的微球颗粒状,具有清晰的Fe9S10/Fe3O4异质界面。通过DFT计算有力证实Fe9S10/Fe3O4@C异质结对多硫化物具有优异的化学吸附能力,采用所制备的Fe9S10/Fe3O4@C异质结复合材料修饰正极侧隔膜,可以显著缓解多硫化物的穿梭效应。结合电化学性能测试,Fe9S10/Fe3O4@C异质结修饰的隔膜基于“吸附-催化”协同作用表现出优异循环稳定性。在1 C倍率下稳定循环500次,单圈衰减率低至0.08%。（3）通过设计引入CoS2,一步水热法成功构筑富金属相1T-MoS2/CoS2异质结。CoS2的引入以及异质结材料的形成诱导MoS2由2H相向1T相转变,显著提高材料内部1T金属相MoS2的含量。二维片层组装而成的三维球状纳米花结构1T-MoS2/CoS2异质结材料内部离子/电子传输得到加强,同时异质界面的产生加速界面电子转移。结合DFT计算,经该材料修饰的电池隔膜具备“吸附-扩散-催化”多功能耦合的协同功效,电池性能尤其是大倍率放电性能显著提升。在2 C高倍率下,首圈放电比容量高达817 m Ah/g,稳定循环1000圈后单圈容量衰减率仅为0.034%;即使5 C大倍率充放仍然保持726 m Ah/g的高比容量。
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