锂硫电池正极材料的制备、表征与电化学性能研究

锂硫电池正极材料的制备、表征与电化学性能研究随着现代化科技的快速发展,能源与环境问题日益突出,对新能源的开发及利用提出了更高的要求,锂硫电池由于具有较高的理论放电比容量(1675 mAh g^-1)和理论能量密度(2600 Wh

kg^-1),受到研究人员的广泛关注。同时,作为锂硫电池正极材料的单质硫具有来源广泛、对环境友好、价格低廉等优势,成为目前新能源领域研究中最具有发展潜力的一种能量存储系统之一。然而,锂硫电池的商业化进程受到了较大的阻碍,这主要是由于以下几个问题:单质硫为绝缘体,电子导电率较低,易导致电池较低的倍率性能;充放电过程中,产生的多硫化物易溶解导致正极活性物质的大量损失,造成容量衰减增大;锂硫电池固有的“穿梭效应”会引起负极材料的腐蚀,库伦效率和循环性能下降。因此,将导电性较强、比表面积大的材料和单质硫复合以提高硫的导电性并减少多硫化物的溶解可以加速锂硫电池的应用。极性的金属硫化物

（Co₉S₈、CoS）对多硫化物有着独特的化学吸附作用和促进氧化还原反应的电催化作用,和单质硫结合后可以有效减少硫的扩散并抑制多硫化物的“穿梭效应”,然而金属硫化物在常温下的电导率较低,需要加入碳纳米管等导电性优异的材料和其进行复合;对中空聚苯胺纳米纤维高温碳化后,得到的中空碳纳米纤维具有较大的比表面积和较强的导电性,可以有效吸附充放电过程中产生的多硫化物并抑制其“穿梭效应”,一定程度上改善电化学性能。本文采用化学方法分别合成了三维互连的

Co₉S₈/MWCNTs复合材料、花状CoS/MWCNTs 复合材料和中空碳纳米纤维HCNFs,最后分别将材料与单质硫进行复合。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱、氮吸附和热重等表征手段对所合成材料的形貌结构进行分析,并进一步通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等测试方法对复合材料的电化学性能进行研究。主要的内容和结论如下:（1）溶剂热法合成的

Co₉S₈/MWCNTs复合材料呈现三维网络结构。材料内部纵横交错的碳纳米管和Co₉S₈粒子相互连接并紧密结合,进一步和单质硫复合,硫在材料内部沉积,极性的Co₉S₈粒子对多硫化物有效吸附,碳纳米管增加了正极材料整体的导电性,这减少了活性物质的损失和多硫化物的溶解。因此,复合材料表现出优异的放电比容量、倍率性能和循环性能。（2）水热法制备的花状CoS/MWCNTs复合材料具有较大的比表面积,碳纳米管在花状CoS片层之间相互连接并结合,形成的三维

导电网络结构不仅缩短了锂离子扩散路径并提高了材料的电导率,碳纳米管在一定程度上还容纳电极反应时的体积膨胀,提高材料的结构稳定性和安全性,而且极性的CoS可以对多硫化物进行有效的化学吸附并加快氧化还原反应,提高活性物质的利用率并减少了多硫化物的“穿梭效应”。CoS/MWCNTs/S在0.1 C和1 C放电比容量分别为1120和762 mAh g^-1,而且在0.5 C循环200次后的容量保持率达到了78%。（3）采用先氧化聚合再高温碳化的方法合成的中空碳纳米纤维（HCNFs）具有良好的电子电导性、大比表面积,独特的结构

可以对单质硫进行有效吸附并减小电极反应时硫质量的损失,抑制多硫化物的“穿梭效应”。材料具有较高的放电比容量,但仍需进一步优化。