自支撑硫/石墨烯薄膜电极的制备及电化学性能表征

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目前,商业化的锂离子电池已经无法满足电动汽车日益增长的一次充电后长程行驶的需求,发展新型的高能量密度的电池体系具有十分重要的意义。锂硫电池因其高的能量密度成为当前有望取代商用锂离子电池的理想选择。然而,锂硫电池正极活性成分元素硫导电率低,且在进行电化学反应过程中,产生的多硫化物容易在正负极之间发生“穿梭效应”,从而降低电池倍率性能和循环性能。为解决锂硫电池正极存在的问题,很多研究者对锂硫电池研究重心放在了缓解“穿梭效应”上,而忽视了其研究是否会降低锂硫电池能量密度。为此,在解决锂硫电池正极材料自身存在问题的同时,兼顾保持其高的能量密度优势显得尤为重要。针对上述问题,本文采用了还原诱导自组装及抽滤的方式制备自支撑免粘结剂的柔性硫/石墨烯薄膜电极,拟通过改变石墨烯片的堆叠方式,构筑不同结构的薄膜电极,以缓解硫正极“穿梭效应”,提升电极材料的循环稳定性能和倍率性能;与此同时,设计构筑的硫/石墨烯复合物薄膜因不含粘结剂和导电添加剂,相应的整体电极能量密度有较大的提升。本文的主要研究内容及结果如下:(1)采用还原诱导自组装方式制备的薄膜电极中,还原氧化石墨烯片上负载有纳米尺寸的硫颗粒,石墨烯片之间交联构筑出大孔结构和连续的导电框架;XPS表明还原氧化石墨烯片与硫之间存在键合作用,电解液吸附性能测试表明薄膜的孔结构有助于电解液的吸附。这种方式构筑的薄膜电极在1.5 A g-1的电流密度下循环500圈后的容量保持率为78.4%,该循环性能远高于传统涂布方式得到的电极,且质量能量密度约为694 kWh kg-1,但其中的硫的堆积密度仅有0.2 mg cm-3,相应的体积能量密度仅有255.2 Wh L-1。(2)采用抽滤方式制备的薄膜电极,石墨烯和硫颗粒之间层层堆叠,没有还原自组装得到的薄膜电极中的大孔结构,经热处理后,硫颗粒尺寸明显减小,其薄膜中硫的堆叠密度为1.25 mg cm-3,较还原诱导自组装得到的薄膜电极显著提高,在2 A g-1的电流密度下循环1200圈后,体积能量密度和质量能量密度仍然有1793 Wh L-1和905.5 Wh kg-1
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