Co9S8基锂硫电池正极材料的制备及电化学性能研究

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锂硫电池由于理论比容量大(1675 mAh/g),环境友好,成本低廉等优点,受到了广泛的关注。然而,锂硫电池单质硫导电性能差,充放电过程中多硫化物溶解于电解液产生穿梭效应,以及单质硫体积膨胀问题,限制了它的商业化使用。为了解决这些问题,本文从锂硫电池正极材料及其结构出发,将Co9S8纳米管作为基体,与导电性良好的碳材料,氧化石墨烯复合制备复合材料,主要研究内容如下:(1)水热法制备Co9S8纳米管,然后用熔融扩散法将Co9S8纳米管和单质硫复合,组装成电池后,在0.1C下初始放电比容量为937 mAh/g,循环100圈后,仍具有650 mAh/g的可逆容量,在0.2,0.5,1和2C不同倍率下,最初比容量分别为913,700.6,602.7,509.4,425.7 mAh/g。中空的Co9S8纳米管在物理和化学两方面吸附了多硫化物,减弱穿梭效应,并且Co9S8纳米管形成了有效的导电网络提高了电池整体的导电性能。(2)用不同浓度的正硅酸乙酯,间苯二酚,甲醛制备出Co9S8@C复合材料,比较其微观相貌和结构,最终选择正硅酸乙酯(0.62 ml),间苯二酚(0.125 g),甲醛(0.17 ml)时制备的中空核壳结构的Co9S8@C复合材料,其形貌一致性最高,再进一步用熔融扩散法和CS2法渗硫,比较了两种的渗硫方法对电池电化学性能的影响,得到以下结论:熔融扩散法优于CS2渗硫法,其初始的放电容量为873.4 mAh/g,经过100次循环后,比容量下降为360 mAh/g,库伦效率较为稳定,保持在98%以上,在0.1,0.2,0.5,1和2C的放电比容量分别为915,611,420,362和304 mAh/g,重新回到0.1C时,放电比容量恢复到550 mAh/g。(3)将Co9S8@S复合材料和用改进的Hummers方法制备的氧化石墨烯超声处理,制备出Co9S8@S@GO复合材料,测试结果表明,Co9S8@S@GO复合材料在0.1C下的最初放电容量为1036 mAh/g,经过100次循环后可逆容量为1023 mAh/g,容量保持率接近98.7%。在1C下,Co9S8@S@GO复合电极的起始放电容量为667 mAh/g,循环200圈后,其容量为631 mAh/g,容量保持率为94.6%。氧化石墨烯褶皱的三维开放结构为电子传输提供了更多路径,同时氧化石墨烯薄片层之间有一定的间隙能够容纳更多的单质硫且电解液易于迅速充分浸润,为锂硫电池正极材料Co9S8@S@GO良好的电化学性能提高了。
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