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锂硫电池具有突出的高比能量优势和原料廉价、环境友好等优点,有望成为新一代高能电池体系。但由于硫的电子和离子绝缘性以及可溶性,锂硫电池正极活性物质利用率低,容量衰减快。近年来,为克服锂硫电池的正极材料单质硫的导电性差、放电产物的部分溶解导致电池性能下降等问题,人们在提高锂硫电池的循环可逆性和硫的利用率方面开展了大量的研究工作。
本文以不同形态的碳材料作为单质硫的载体,通过简单的化学沉积法制备了高容量锂硫电池单质硫-碳复合材料,借助X射线衍射和扫描电镜对样品的组分和结构形貌进行表征,通过恒电流充放电、循环伏安、电化学交流阻抗等电化学测试该类材料的电化学性能。
通过化学沉积法和机械球磨法制备了单质硫和多壁碳纳米管复合材料,并比较了二种材料的性能。在0.02 C下,由化学沉积法制备的活性材料组成的电极电池首次放电容量高达1299 mAh/g,而由机械球磨法制备的材料首次放电容量只有839 mAh/g;并且在0.05 C下,50次循环后,由化学沉积法制备的活性材料组成的电极电池放电容量仍有800 mAh/g,而由机械球磨法制备的材料放电容量仅有620mAh/g。高导电性碳纳米管能够提高活性物质单质硫的导电性,并且为硫电极提供网状的导电网络结构。
采用纳米碳酸钙作为模板合成出介孔碳材料用作单质硫的载体,通过简单的化学沉积法制备介孔碳-硫复合材料。测试结果表明,电池在0.02 C首次放电容量可达1380mAh/g,在0.1C下经过100次循环容量仍保持在750mAh/g。介孔纳米碳具有良好的导电结构,使纳米硫具有较好的分散性,并具有较强的吸附能力,能有效的抑制充放电过程中产生的多硫化物在电解液中溶解,从而提高了硫的利用率和循环性能。
选用介孔型沸石分子筛SAPO-11为硬模板,蔗糖为碳源,采用液相浸渍法和高温碳化法合成一种新型介孔碳材料C-11,并采用简单的化学沉积法制备硫/C-11复合材料。多孔碳材料能有效提高硫电极的电化学反应活性,限制硫电极中间产物在电解液中的溶解流失,从而使S/C复合电极具有高的可逆比容量,良好的循环稳定性和倍率放电性能。