CeO2/碳基及MXene基锂硫电池正极材料的制备及其性能研究

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锂硫电池的高比容量、高能量密度对新能源电池的应用提供了新的助力,由于硫导电性差、硫化锂体积膨胀和多硫化物穿梭效应导致循环寿命低、稳定性差。因此,针对上述问题,本文设计并制备了CeO2/碳基及CeO2/MXene基锂硫电池正极材料,在保证正极材料导电性的同时,有效地缓解了正极材料体积膨胀,抑制了多硫化物的穿梭效应,电池循环性能显著提高。以六水硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)为铈源,醋酸纤维素(CA)为碳源,采用模板法及高温碳化法制备出核壳氧化铈/多孔碳(CS-CeO2/PC),进一步载硫得到S/CS-CeO2/PC锂硫电池正极材料。由透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)表征CeO2的核壳结构及多孔碳结构,材料的结晶度和碳化结构通过X射线衍射仪(XRD)和红外光谱(IR)表征,采用X射线光电子能谱(XPS)表征CS-CeO2与S之间的电子偏移证明了CS-CeO2对S有很好的吸附作用,最后以循环伏安法(CV)、倍率测试、恒流充放电、电化学阻抗(EIS)等测试方法表征S/CS-CeO2/PC电化学性能。S/CS-CeO2/PC在0.25C有1242.6 m Ah·g-1的初始放电比容量,500个循环平均库伦效率为92.36%,具有优异的电化学性能、稳定性和循环寿命。为了进一步提高电池性能,本文以手风琴状MXene为基体,CeO2掺杂并负载S制备了S/CeO2/MXene锂硫电池正极材料。金属氧化物与MXene基体协同吸附多硫化锂,有效抑制穿梭效应。采用CV、EIS、塔菲尔测试(Tafel)、沉积实验、倍率测试、恒流充放电、XPS、SEM以及TEM等测试手段表征S/CeO2/MXene电化学性能及结构形貌。CV、Tafel测试表明S/CeO2/MXene具有良好动力学行为,CeO2/MXene基正极材料的Li2S沉积达到125.68 m Ah·g-1。在0.5C S/CeO2/MXene首次放电比容量为1051.1 m Ah·g-1,循环200次后维持在921.9 m Ah·g-1,平均库伦效率达97.75%,容量保持率为87.71%。XPS分析表明Ce和Ti峰位正移,S峰位负移,原子获得电子,结合能减少,说明CeO2与MXene起协同吸附硫的作用。吸附实验表明,CeO2/MXene吸附了多硫化锂,两者协同作用抑制了穿梭效应,将S/CeO2/MXene保持在高电化学性能水平,极大地提高了锂硫电池循环稳定性及寿命。SEM、TEM测试结果显示出MXene的手风琴状结构,说明MXene的层间结构能够有效缓解体积膨胀,对比循环后的正、负极SEM图像,S/CeO2/MXene正极结构稳定,且锂片(负极)表面平整、几乎无锂枝晶。S/CeO2/MXene具有优异的电化学性能及结构稳定性,开辟了锂硫电池正极材料新的研发前景。
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