含硫化合物对锂硫电池硫碳复合正极材料的改性研究

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由于3C产品和电动汽车的崛起,市场对于具有高能量密度、低成本的充电电池需求日益增加。相较于传统锂离子电池而言,锂硫电池具有理论容量高且活性材料成本低的优点而成为新一代储能系统之一。目前,锂硫电池的实用化过程仍存在下列问题。主要包括:(1)单质硫以及放电终产物Li2S的电子、离子绝缘性使电池的电阻比较大;(2)在充放电过程中产生的多硫化物在正负极之间的穿梭效应,使得正极的活性物质不断地流失,是锂硫电池性能较差的主要原因;(3)硫及Li2S的密度不同导致的体积膨胀(~80%)也是导致电池容量衰减甚至失效的原因之一。本文旨在通过对硫碳复合正极材料进行金属硫化物Mo S3和导电聚合物PEDOT包覆改性来改善锂硫电池的电化学性能,所得结论如下:(1)通过四硫代钼酸盐溶液酸化的方法将Mo S3原位生长在硫碳复合材料上(S/Super P-Mo S3)。通过多孔碳材料Super P和极性物质Mo S3的协同作用,有效吸附多硫化物,抑制穿梭效应。其中10 wt.%Mo S3包覆量的硫碳复合材料表现出最佳的电化学性能,在0.2C下进行100次循环后,放电比容量仍有582.1m A h g-1,容量保持率为59.0%。但Mo S3含量过多会导致电池电阻增加,从而影响电池性能。(2)利用EDOT单体在酸化环境下的氧化聚合,将高导电性PEDOT包覆在硫碳复合材料表面。PEDOT包覆使硫碳复合材料更加稳定,其次PEDOT中的氧、硫原子具有孤对电子,可以化学吸附多硫化锂,协同碳材料的物理吸附,较好地抑制穿梭效应。最终PEDOT包覆的硫碳复合材料的循环性能和倍率性能均有改善,其中PEDOT含量为20 wt.%时硫碳复合材料的电化学性能最佳,当电流密度为1C时,其初始放电容量为1018.0 m A h g-1,500次循环后放电容量保持率为47.0%。
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