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随着汽车产量的日夜增长,石油资源的逐渐枯竭,环境污染的日趋严重,急需开发可再生能源代替不可再生能源,尤其是电化学储能体系。锂硫电池作为锂电池的一种,以金属Li为负极,S元素为正极。其理论比容量、比能量数值皆较大,依次是1675 mAh/g、2600 Wh/kg。与锂离子电池相比,在储能量一样的情况下,锂硫电池同时拥有重量轻、体积小等优点。另外,其活性物质具备诸多优点,比如:储量丰富、环境友好等。由此可见,锂硫电池是绝对优良的储能体系,作为一种新能源其应用前景无限光明,将对缓解化石燃料的使用以及减轻温室效应起到不可估量的作用。然而,这里存在几个难题有待解决:导电性问题(硫物种导电率低),严峻制约着高倍率下的性能;体积问题(硫体积膨胀/收缩),易发生电池结构破损;溶解性问题(多硫化物易溶于电解液),而引发穿梭效应。本论文,针对以上难题,我们设计合成了两种二氧化钛负载硫复合材料作为锂电池正极材料:碳空心球-二氧化钛/硫(HC-TiO2/S)复合材料和二氧化钛-碳化钛/硫(TiO2-TiC/S)复合材料。这两类复合材料同时具备导电性良好、孔结构丰富以及对硫及多硫化合物有强烈的化学作用力等优势,能够解决硫导电率低、硫体积膨胀/收缩、多硫化物穿梭等问题。主要研究成果如下:(1)HC-TiO2/S复合材料依次选择模板法、熔融法获取HC-TiO2/S复合材料。首先制取SiO2,其次模板法合成碳空心球-二氧化钛(HC-TiO2),最后熔融法复合HC-TiO2/S。通过XRD、SEM、TEM、XPS等测试分析,表明我们成功合成了 HC-TiO2/S复合材料。其中空心碳球(HC)和二氧化钛具有协同效应,可以一定程度地解决以上提出的全部问题:HC电导率较大,恰好能够弥补硫导电率低,且其内部空间足够储存硫单质以及反应过程生产的多硫化合物,进而抑制体积变化和穿梭效应对电池的损耗;TiO2与Li2Sn间的化学作用力,有力地降低了其穿梭频率。电化学性能数据显示,HC-TiO2/S复合材料装配的锂硫电池性能有所改善,除了有比较好的循环性能外,其倍率性能也极其优异,电池在1C的高倍率下循环300圈后放电容量仍能维持在671 mAh/g左右;在0.05、0.1、0.2、0.5、1、2和4C倍率下其可逆容量分别有1227、1050、922、809、716、621和527mAhg-1,经过以上一系列不同倍率多次充放电循环后,当倍率重新回到0.1 C,HC-TiO2/S电极比容量能够回升到1042 mAh/g。(2)TiO2-TiC/S 复合材料TiO2-TiC/S复合材料是结合水浴-氧化还原法和熔融-渗透法获得的。先由水浴-氧化还原法制备多孔二氧化钛-碳化钛(TiO2-TiC),再采用熔融-渗透法制备TiO2-TiC/S产物。通过XRD、SEM、TEM、XPS等测试,分析可知我们成功制备了 TiO2-TiC/S复合材料,其中碳化钛和二氧化钛对解决锂硫电池难题都起到了巨大作用,碳化钛极其优异的导电性,可以解决硫不导电性问题;碳化钛和二氧化钛对锂多硫化合物极其强烈的化学吸附,可以有效地抑制其穿梭效应。而且多孔TiO2-TiC有足够的空间,可以储存硫单质以及反应产物硫化物,一定程度地抑制了体积变化和穿梭效应对电池的损耗。电化学性能测试显示,TiO2-TiC/S电极性能较理想。比如,CV曲线显示电化学可逆性、循环稳定性良好;EIS数据证实导电性能优越;循环性能测试可以看出组装电池经历1 C倍率下200圈充放电循环后,放电容量仍能稳定在591 mAh/g左右。