基于碳纳米管海绵体载硫正极的电化学性能研究

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碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)理论上有超高的导电性,在锂硫电池中应用潜能巨大。然而,目前载硫方式难以实现硫的均匀分散,且高载硫量的同时难以保持载硫基体柔性。因此,寻找一种简便方法达到上述目的对加快锂硫电池的应用有重要意义。(1)本文通过改进CNTs连续体的组装方式,获得了蓬松多孔的CNTs海绵体(CNTF),发现其具有很高的粘性,利用其粘性,改进常规的熔融法载硫,通过气渗载硫及涂硫载硫方式,将硫均匀的分散在CNTs海绵体表面得到CNTF/S一体化电极,电极制备简单可规模制备,利用气渗载硫可实现硫的高利用率,0.1 A g-1电流密度下放电比容量高达1288 mAh g-1,1.58 A g-1的恒电流密度下,放电比容量高达823 mAh g-1,缺点是载硫量最高50 wt%。后采用涂硫载硫法可实现77%的高载硫量,高载量的同时保持其柔性,在0.2 C电流密度下循环200圈后放比容量仍保持500 mAh g-1,具有良好的应用前景。(2)本文通过制备透明软包电池直接观测锂硫电池充放电过程中的颜色变化,并利用颜色变化推断其中发生的反应过程,通过紫外可见吸收光谱对锂硫电池充放电过程进行表征,得到了锂硫电池充放电过程的产物变化,并结合XRD、拉曼光谱辨别充放电的中间产物,得出锂硫电池的充放电过程,为辨别多硫化物提供了思路。(3)通过透明软包电池发现多硫化物的扩散性,认为这部分多硫化物即为高电化学活性的硫产物,利用CNTF可储存电解液的能力,将电池放电至2.1 V电位下多硫化滴加至CNTFs内部,实现了硫的高利用率并抑制了穿梭效应。通过电化学测试表明,在0.1 C的恒电流密度下,放电比容量高达1346 mAh g-1,5 C的大电流密度下仍可以发挥出880 mAh g-1的放电比容量,且1 C的恒电流密度下,充放电库伦效率高达99%以上。通过SEM也充分表明这种高电化学活性的多硫化物在充电后,得到的硫在CNTFs内实现了其均匀分布,可抑制穿梭效应,同样可用于其他可储存电解液的碳质材料中,为锂硫电池产业化提供了新思路。
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