锂硫电池隔膜的改性及电化学性能的研究

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锂硫电池拥有较高的理论能量密度(2600 Wh kg-1),且原料丰富、成本低和无污染,使其很有潜力成为下一代的能量转换和存储装置。然而,锂硫电池广泛的商业应用仍然存在许多障碍,如最严重的“穿梭效应”,直接影响了电池的电化学性能。针对锂硫电池中存在的问题,本文以柠檬酸钠和植酸钠分别为碳源和磷源,用简单的合成工艺制造出了磷掺杂的介孔碳(PMC)。磷元素的掺杂并没有明显改变碳框架的结构,所以PMC仍然具有较高的孔体积,但碳片上的微孔结构大多都转变成了介孔结构。较大的孔体积和合理的孔径分布有利于对多硫化锂(LiPSs)产生良好的物理约束能力。同时,磷元素的掺杂量并不是很高,但仍引起了多孔碳中官能团的变化和缺陷位点的产生。这有利于对LiPSs产生良好的化学约束能力。为了更好的改性锂硫电池的电化学性能,本文又以柠檬酸钠和三聚氰胺分别为碳源和氮源,用同样简单的合成工艺制造出了氮掺杂的介孔碳(NMC)。氮元素的掺杂使得原来碳材料中相连的碳壳被打破,但NMC具有了更大的孔体积,碳片上的微孔结构也大多转变成了介孔结构。较大的孔体积和合理的孔径分布有利于提高NMC对LiPSs的物理约束能力。同时,氮元素具有较高的掺杂量,且有效引起了多孔碳中官能团和晶格缺陷的变化。这很好的提高了NMC材料对LiPSs的化学约束能力。然后,通过真空抽滤法在PP隔膜上分别形成了致密的CNT/PMC/CNT和CNT/NMC/CNT复合的三明治结构隔层,分别简称为P-SCL和N-SCL。元素掺杂的PC层使得隔层对LiPSs产生了良好的物理和化学约束能力。同时,CNT层具有良好的机械性能和导电性,这有利于提高隔层对硫正极较大体积变化的适应性和减少电池中电化学反应的极化效应。改性后电池都表现出了较好的容量性能、循环稳定性和倍率性能。对P-SCL和N-SCL进行的自放电性能测试,也表明两种隔层不但具备较好的抑制电池自放电效应的能力,而且还可以使自放电过程中被约束的活性材料得到活化和二次利用。并且,经两种隔层改性的高载硫量电池依然能够拥有良好的容量性能和循环稳定性,表明P-SCL或N-SCL修饰的隔膜具有一定的实用价值。
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