锂硫电池复合正极材料GO@KB-S和GO@MKB-S的喷雾造粒法制备及特性研究

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锂硫电池的高理论比容量1675 mAh g-1引起了人们的广泛关注。当硫完全参与电化学反应后,锂硫电池的质量能量密度和体积能量密度能达到2500 Wh kg-1、2800 Wh L-1。然而,活性物质硫利用率低、锂硫电池的充放电循环寿命短使得锂硫电池目前未能商业化生产和应用。硫基正极材料是影响锂硫电池电化学性能的关键因素之一。由于氧化石墨烯(GO)表面含有丰富的官能团,这些官能团对多硫化物有优异的化学吸附作用,能够减缓多硫化物的穿梭效应。本论文利用喷雾造粒法制备氧化石墨烯(GO)包覆科琴黑(KB)与硫(S)形成类球状复合正极材料(GO@KB-S)。讨论了不同含量氧化石墨烯对类球状复合正极材料的微观结构和电化学性能的影响。当GO的含量在015%,发现10%GO含量的样品有最佳的电化学性能。结果表明,当正极材料硫负载为3 mg cm-2时,以0.5 C倍率循环充放电,10%GO含量的GO@KB-S复合正极材料锂硫电池的首次放电比容量为782.8 mAh g-1,100圈后放电比容量为609.2 mAh g-1,循环保持率为77.82%;200圈后放电比容量为556.8 mAh g-1,循环保持率为71.13%。因为纳米片状γ-MnS极性较大,能够吸附多硫化物,阻碍其扩散、穿梭,提升锂硫电池比容量和循环性能。基于优化GO含量的条件下,采用溶剂热法制备的纳米片状结构的γ-MnS与KB的复合材料(简称MKB),利用喷雾造粒法制备了GO包覆γ-MnS-KB-S复合正极材料(GO@MKB-S)。结果表明,通过溶剂热法制备的纳米片状γ-MnS与KB复合材料,其比表面积为1157 m2 g-1,平均孔径为4 nm。研究发现当正极硫负载为5 mg cm-2时,添加纳米片状γ-MnS的GO@MKB-S复合正极材料表现出更优异的电化学性能。在0.36 C倍率下循环充放电,锂硫电池的首次放电比容量为749.9 mAh g-1,100圈后放电比容量为730.1mAh g-1,循环保持率为97.36%;200圈后放电比容量为590.1 mAh g-1,循环保持率为78.69%。
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