锂硫电池作为一种新型的储能器件,因其超高的理论能量密度(2600Wh kg-1)和电极材料的廉价无毒而被广泛研究,成为极具应用前景的新一代的电池。然而目前锂硫电池中硫正极本身存在的几个关键问题,首先是充放电过程中单质硫和放电产物具有低的电导率,其次是反应过程中由于多硫化物的溶解扩散引发严重的“穿梭效应”,最后是充放电过程中体积膨胀问题导致的电极结构破坏,这些问题严重限制了锂硫电池的实际应用。针对锂硫电池存在的上述问题,本论文拟通过改变硫正极的电子导电性,采用添加掺氮碳材料和金属硫化物增强对中间产物多硫化物的吸附作用来减缓穿梭效应,最终实现提高锂硫电池的电化学性能。首先采用孔径主要分布在介孔范围的导电炭黑Vulcan XC-72(XC-72)作为硫的载体,改善硫正极的导电性和利用率;然后制备出NiCo2S4/C复合物,使中间产物中的硫离子与金属镍离子和钴离子反应,达到抑制多硫化物的穿梭效应;最后通过两步水热法合成海胆状NiCo2S4并直接用于硫正极的载体,改善电极材料的导电性的同时抑制穿梭效应,得到了初始容量、倍率性能和循环稳定性都较好的实验结果。具体的研究内容和结果如下:1、选用XC-72和掺氮碳材料(N-C)作为单质硫的载体。首先选用中孔率高和导电性好的XC-72作为硫的载体,探索了不同硫含量(35%、50%、65%、70%)的XC-72/S复合材料对电化学性能的影响。由于碳材料的加入,提高了电极材料硫的电子导电性同时增加了单质硫的利用率;但随着单质硫含量的增加,更多的硫无法分布在碳材料的孔结构中,导致其利用率降低;当硫含量为50%时,复合电极材料在0.1 C的电流密度下,首次放电比容量为1061 mAh g-1,经过100圈的充放电循环之后比容量为400 mAh g-1。鉴于掺氮碳材料不仅具有好的电子导电性且N-C中N与放电中间产物多硫化锂之间更强的化学吸附作用,可以有效缓解穿梭效应,提高活性物质的利用率,使硫正极表现出优异的循环稳定性和倍率性能。因此本论文首次将绿色廉价无毒的核黄素作为碳氮源经碳化后制得的N-C材料用于锂硫电池的正极,N-C/S电极在0.5 C的倍率下,首次放电比容量为773 mAh g-1,循环100圈后,电容保持率为76.6%,相比具有同样硫含量的XC-72/S电极,循环稳定性提高了 30%。2、XC-72/NiCo2S4复合物作为硫单质的载体。因为金属离子与硫离子之间具有更强的键合能力,因此金属硫化物比掺氮碳材料能更好的抑制多硫化物引起穿梭效应。以XC-72作为碳源,通过微波辅助加热方法将生成的NiCo2S4纳米颗粒均匀沉积在碳材料的表面得到NiCo2S4/XC-72,然后通过熔融灌注法制得NiCo2S4/XC-72/S复合材料。该复合材料在0.1 C的条件下,电池首次放电比容量为1103 mAh g-1,充放电循环300次后,电容保持率为48.1%;在电流密度1 C下充放电循环500圈之后,电容保持率为70.5%。在2C的大电流密度下,电池的首次放电比容量为475 mAh g-1,该复合材料的循环稳定性和倍率性能优于Co3S4/XC-72/S、Ni3S4/XC-72/S以及NiCo2S4/S,主要原因是在充放电的过程中,一方面碳材料增加了电极材料的电子导电性,另一面双元金属硫化物对多硫化锂具有更强的吸附力和催化了硫的还原反应,两者的共同作用,从而提高了电池的电化学性能。3、两步水热法合成出海胆状的NiCo2S4并将其单独作为单质硫的载体。在0.1 C的倍率下,首次放电比容量为1028 mAh g-1;在2 C的大倍率下,比容量仍有为482 mAh g-1;在1 C下充放电循环300圈,每圈衰减率仅为0.18%。NiCo2S4/S复合材料具有更好的循环稳定性和倍率性能,一方面归因于NiCo2S4独特的海胆状结构,该结构不仅有利于硫的储存还利于电解液的渗透和锂离子的扩散;另一方面是因为NiCo2S4和多硫化物之间具有强的化学吸附作用且NiCo2S4可以催化多硫化物转变为硫化锂的反应,从而缓解充放电过程中的穿梭效应。综上所述,本论文旨在提高硫正极材料的电子导电性和对增强对多硫化物的吸附作用来提高电化学性能,选取了不同的材料作为单质硫的载体,均能改善锂硫电池的电化学性能,这将为鲤硫电池的实际应用开辟一个新的方向。