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近年来,随着新能源电动汽车、便携式电子产品等对高性能储能系统需求的快速增长,推动了电池储能体系范畴的拓宽,高能量密度的锂硫电池引起了科研界乃至工业界的广泛关注。锂硫电池的理论能量密度可达2600Wh·kg-1,其中,正极活性物质-单质硫的理论比容量为1673 mAh·g-1,是已商品化的锂离子电池正极材料理论比容量的10倍以上;再者,硫元素在自然界中储存量丰富,无毒,价格低廉,且环境友好。所以,锂硫电池被认为是极具潜力的下一代高效储能二次电池之一。然而,锂硫电池存在两个亟待解决的问题:一是,单质硫及其放电产物多硫化锂的电子绝缘特性,使得电池体系极化大,同时导致正极活性物质的利用率低;二是,正极活性物质的放电中间产物多硫化锂易溶于电解液,并向负极扩散,引起“穿梭效应”,导致电池活性物质的损失,降低了电池的实际比容量和循环性能。鉴于上述问题,本论文主要着眼于锂硫电池正极材料,制备了一系列新颖的正极复合材料,改善活性物质硫的导电性及其在极片中的分布情况,同时抑制多硫化锂的溶解和扩散,减少穿梭效应,从而提高电池的容量保持率和循环稳定性。本论文从材料和结构两个层面出发,设计、制备了一种基于三维碳基体的复合正极材料。首先,采用具有超精细网络结构,高结晶度和聚合度、分子取向良好等特性的细菌纤维素(bacterial cellulose, BC)为基体碳源,通过添加不同比例的氢氧化钾活化剂的条件下高温煅烧,制备出一种氮掺杂的具有较高比表面积、大的孔分布和优异的导电性的分层次多孔碳纤维材料,简写为NPCM。将这种新型的分层次多孔碳材料与硫混合,通过熔融注入的方法使硫单质进入到多孔碳材料基体的孔洞中,获得S@NPCM复合材料。以这种分层次NPCM作为基体可以为正极活性物质,不仅可以提供足够的电极反应空间,大幅提高活性物质的导电性和利用率,还能够有效降低中间还原产物多硫化锂的溶解,在一定程度上提高了电池的充放电循环寿命。对于S@NPCM1400复合正极材料,在0.1C的电流密度下,其初始放电容量达1137mAh·g-1,经过500圈充放电循环,容量仍保持在890mAh·g-1。平均每圈衰减量仅为0.1%,表现出优异的电化学性能稳定性,且库伦效率达99%左右。其次,采用具有三维连续导电网络结构的碳纤维纸(CP)为集流体,利用简单的涂布法将S@NPCM复合材料渗进CP的内部,呈连续性分布状态。碳纤维纸相较于普通铝箔而言,具有更高的电导率,在电极中可提供长程、连续、高速的电子传输通道;另外,碳纤维纸能提供较大的电极反应空间,良好的空间结构能够很好的容纳、限域活性物质。用EIS验证了具有该电极结构的CP-S的低电化学阻抗,用CV验证了好的电化学可逆性。在小电流密度下充放电(0.05C)时,初始放电比容量高达1300 mAh·g-1,在0.1C倍率下充放电300个循环之后,容量能稳定在980mAh·g-1左右。研究结果表明,CP-70S@NPCM1400复合电极的电化学性能明显优于传统的二维铝箔电极。