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锂硫电池(Li-S battery)具有超大的能量存贮性能。此电池不仅理论比容量高而且价格低廉、环境友好,被认为是一种非常有可能的新一代锂电池的替代产品。但是其正极材料硫有一些缺陷,如导电性差,循环性能较差等,这些缺点最x影响了其实用性。
本文将普通石墨原料制成石墨插层化合物(GIC),而后通过热膨胀法,制备出膨胀石墨(EG),其比体积达到180mL/g,BET比表面积为19.2m2/g。膨胀石墨层间大孔间距达到100nm左右,而层间的石墨烯片层的间距,约为0.54nm。
将膨胀石墨和升华硫(S)进行混合热处理,制备得出硫/膨胀石墨(S/EG)的复合正极材料,而后组装成纽扣电池,并对其进行电化学循环性能测试。
复合后的正极,其膨胀石墨碳骨架的层状结构包含着正极单质硫,换言之,硫原子最终进入了大量的石墨片单层的层间。这些层状的石墨烯单层片的存在,恰如在正极材料中加入了许多的微型集流体,这些集流体为改善正极材料的导电性,提升其电化学循环性能起了很大的作用。而膨胀石墨间的微米尺度的大孔,则为其正极的电化学反应提供了空间,尽可能的减少了正极反应所产生的多硫聚合物的损失。通过微型集流体的作用,可以抑制电极反应中Li2S和Li2S2这两种不可逆物质的生成,从而改善正极材料的循环性能。
通过电化学循环测试可知,制备所得的复合正极材料在25mA/g的充放电条件下表现出良好的充放电性能,首循环放电比容量接近1600mAh/g,而经过50个放电循环后其比容量仍旧保持在1200mAh/g之上。通过对其单个充放电循环的分析可知,充放电的库伦效率接近100%。而随着放电电流的增大,电池的循环寿命则相对有所降低。