鋰硫電池具有能量密度高、成本低等突出優(yōu)點(diǎn),是最具應(yīng)用前景的下一代二次電池體系之一。然而,鋰硫電池的硫正極存在硫和放電產(chǎn)物硫化鋰的導(dǎo)電性差、中間物種多硫化鋰的溶解和穿梭效應(yīng)顯著、多硫化鋰轉(zhuǎn)化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程緩慢、循環(huán)過程中硫物種的體積變化大等問題,導(dǎo)致鋰硫電池仍面臨硫利用率低、容量衰減快、功率密度有限、面積硫載量與面積比容量低等挑戰(zhàn)。本文擬從引入催化與限域協(xié)同促進(jìn)作用的角度解決上述難題,基于氮摻雜、硫摻雜及氮磷共摻雜碳納米籠設(shè)計(jì)構(gòu)建出新型硫正極,開展電池性能及作用機(jī)制研究,旨在獲得高性能鋰硫電池正極材料。通過研究,取得了如下重要進(jìn)展:1.以多功能氮摻雜碳納米籠（hNCNC）作為硫載體和隔膜修飾層構(gòu)建了高功率長壽命的鋰硫電池。通過電催化實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論計(jì)算,揭示了氮摻雜sp2碳具有高效催化轉(zhuǎn)化多硫化鋰的功能。將硫填充于hNCNC內(nèi)腔,發(fā)揮納米籠的物理限域、氮摻雜sp2碳的化學(xué)吸附及電催化轉(zhuǎn)化的高效協(xié)同,再結(jié)合三維分級(jí)結(jié)構(gòu)促進(jìn)的快速電荷轉(zhuǎn)移功能,實(shí)現(xiàn)了多硫化鋰流暢的“吸附”-“轉(zhuǎn)化”過程,有效地抑制了穿梭效應(yīng)和極化效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了高功率長壽命的電池性能。對(duì)于硫面積載量為0.8 mg cm-2的... 

【文章來源】：南京大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：133 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．２ＣＭＫ－３／Ｓ復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)（ａ）與制備－充放電示意圖（ｂ）?（ａ中黃色表示硫單質(zhì)）６

廈門大學(xué)鄭南峰教授等制備了具有泡沫狀內(nèi)核的多殼層空心碳球（ＨＣＳＦ＠Ｃ）??ｌ３，如圖１．３ｂ所不。由于具有局比表面積和大孔容，ＨＣＳＦ＠Ｃ中硫負(fù)載量可達(dá)到??７０％。鑒于復(fù)合材料外層的碳?xì)つ軌蜃钃蹩扇苄远嗔蚧囅蛲鈹U(kuò)散，在１?Ａ?ｆ下??循環(huán)３００次后仍能保持７８０?ｍＡｈ?＾的高比容量。新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文課題??組以Ｓｎ０２空心球?yàn)槟０�、葡萄糖為碳源合成了雙殼層的空心碳球（ＤＨＣＳ），在??４００?°Ｃ下將硫限域在ＤＨＣＳ中１６。這種空心載體材料在作為硫載體中具有特有的??優(yōu)勢(shì)，可以包覆較高載量的硫，有效抑制多硫化物的擴(kuò)散，并能承受長時(shí)間循環(huán)??中體積變化的影響。??Ｌｉｎｄａ?Ｆ．?Ｎａｚａｒ課題組有意識(shí)地在空心球殼層上造孔，實(shí)現(xiàn)了孔尺寸的調(diào)控??（圖１．４），利用碳球內(nèi)部的空隙體積，提供足夠的硫儲(chǔ)存空間和電解液通道１７。??當(dāng)碳?xì)雍蜌觾?nèi)襯介孔的尺寸為４．５?ｎｍ時(shí)，有利于促進(jìn)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的電荷轉(zhuǎn)??移，抑制體積膨脹，從而使碳硫復(fù)合材料的性能達(dá)到最佳水平。優(yōu)化后得到的材??料經(jīng)１００次循環(huán)后容量幾乎沒有衰減（平均每圈０．１％）。??ａ？ｆ？ＣＭＳ?ｐ－ＰＣＮＳ??ｐｏｒｏｓｉｔｙ?ｍｏｃｔｅｒａｔｅ?ｐｏｒｏｓｒｔｙ?Ｉ?＆００

碳納米管復(fù)合材料表現(xiàn)出較低的電荷轉(zhuǎn)移電阻和更好的循環(huán)性能，在０．０６?Ｃ下６０??次循環(huán)后比容量保持率為７４％，高于常溫下簡(jiǎn)單混合的硫－碳納米管復(fù)合物２（）。??Ｓｔｅｆａｎ?Ｋａｓｋｅ傳利用碳納米管陣列間的空隙來負(fù)載硫（圖１．６）?＇先以乙烯為碳??源，以鐵、鉬和鈷－乙基己酸鹽為催化劑，通過ＣＶＤ過程在鎳箔上制得了垂直排??列的碳納米管陣列，然后在陣列中滴加硫的甲苯溶液，使硫填入碳納米管的間隙??中，利用碳納米管作為骨架和電子傳輸通道。這種以碳納米管－硫復(fù)合材料構(gòu)建??的電極不需要粘結(jié)劑，循環(huán)４０次后比容量仍保持在８００?ｍＡｈ?ｇ—１。??ＣＮＴＴＳ??ｃａｔａｉｙｓｔ?ｆｆｉｌ?＾??ｍｅｔａｌ?ｔｄｌ?ｌａｙｅｒ?＼?ｒ??ｆｒｆｗ＇－ｙｉｒ?ｉｉｉｒｉｎ－ｇＭａａａ???７丨「．—??＼??圖１．６碳納米管陣列－硫復(fù)合材料的制備示：ｇ：圖２Ｉ。??Ｆｉｇｕｒｅ?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｕｌｆｕｒ－ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅ?ａｒｒａｙ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ??淸華大學(xué)魏飛教授課題組利用ＣＶＤ法在


本文編號(hào)：3533960