【摘 要】
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锂硫电池(LSBs)是最有潜力和研究最广泛的锂电池之一,以储量丰富的硫为正极,具有能量密度高(1675 m Ah g-1)、理论比容量高(2600 Wh kg-1)、成本低廉、环境友好等特点。虽然LSBs有诸多优点,但是距离商业化发展还存在很大差距,主要表现在活性物质硫的利用率低、电池的库伦效率低以及循环稳定性差等方面,导致以上问题的关键性因素有活性材料(硫)和放电终产物(Li2S)的非导电性、多
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锂硫电池(LSBs)是最有潜力和研究最广泛的锂电池之一,以储量丰富的硫为正极,具有能量密度高(1675 m Ah g-1)、理论比容量高(2600 Wh kg-1)、成本低廉、环境友好等特点。虽然LSBs有诸多优点,但是距离商业化发展还存在很大差距,主要表现在活性物质硫的利用率低、电池的库伦效率低以及循环稳定性差等方面,导致以上问题的关键性因素有活性材料(硫)和放电终产物(Li2S)的非导电性、多硫化锂(Li PSs)在电解液中的溶解以及“穿梭效应”、硫正极的体积效应、负极锂枝晶的生长等。为了解决以上问题,科研人员使用具有独特催化活性的极性无机材料(如金属硫化物、金属氮化物、金属氧化物和金属碳化物等)作为硫正极载体,通过材料表面与Li PSs之间的化学作用高效吸附锚定以及催化转化Li PSs等方法抑制“穿梭效应”提高LSBs的电化学性能。近年来,二硫化钼(Mo S2)作为众多金属硫化物中的一种,因其优异的化学稳定性、高电催化活性等优点在LSBs催化材料的应用以及研究中展现出巨大的潜力。目前Mo S2在LSBs的研究应用中,仍然存在纳米片层聚集和导电性不足等问题,为了改善这些不足,本论文构建了以Mo S2为基底的高性能正极载体材料,研究了复合正极材料的微观结构,对LSBs电化学性能改善效果以及作用机制。主要研究工作如下:(1)通过炔烃偶联和水热合成两步法,在泡沫镍集流体的骨架表面成功制备氢代石墨炔(Hs GDY)并原位构建了Hs GDY/Mo S2/Ni3S2三维互联纳米结构。该复合电极材料在高效固硫的同时催化Li PSs转化,有效加快Li PSs的氧化还原动力学。三维互联的Hs GDY碳框架具有丰富的孔隙结构,在缓解体积膨胀的同时高效吸附Li PSs。负载Mo S2/Ni3S2后,大量暴露的端炔和Mo S2活性位点,通过双组分协同锚定催化Li PSs转化过程,有效加快Li PSs的氧化还原动力学,从而抑制“穿梭效应”。基于该三维互联复合正极的LSBs在0.1 C下,首次放电比容量达到了1224.6 m Ah g-1,2 C下循环500圈后放电比容量为486.9 m Ah g-1。(2)通过水热法构建了V2C MXene/Mo S2异质结构。该复合材料通过Mo S2生长在V2C MXene表面和层间形成三维互联结构,保留V2C MXene优异导电性同时增加了其纳米片层垂直方向离子迁移速率,实现快速的表面Li+扩散。前驱体刻蚀过程形成的表面官能团与极性Mo S2提供大量Li PSs吸附和催化位点,有效地抑制穿梭效应,提高电池的比容量和循环寿命。基于该三维互联复合正极的LSBs在0.1 C下,首次放电比容量达到了1246.3 m Ah g-1,0.1 C下循环300圈后放电比容量维持在740.8 mAhg-1。
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