《以明膠為黏合劑多孔硫正極製備及其高性能化機理研究》是依託北京化工大學，由黃雅欽擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：以明膠為黏合劑多孔硫正極製備及其高性能化機理研究
- 依託單位：北京化工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：黃雅欽
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋰-硫二次電池具有比能量高、原料廉價、環境友好等優點，套用前景廣闊。目前亟待解決的問題是其硫利用率低和循環穩定性差，根本原因包括：一是硫的溶解易造成正極結構坍塌和活性物質的損失，從而喪失活性反應界面；二是不可逆的還原產物對電極表面的覆蓋和團聚，造成電解液離子難以擴散至有效的反應界面。為解決此問題，本課題採用明膠這一多功能黏合劑構建一種新型的鋰-硫電池正極反應界面：採用相分離的方法製備電極，在極片中形成豐富的孔洞，可克服不可逆產物的累積對電極有效反應界面的覆蓋，保證在充放電過程中電解液對電極的良好浸潤和離子通道的暢通；利用明膠中的活性基團絡合硫離子的作用抑制可溶性多硫化物向電解液中的溶解和擴散；促進充電時單質硫的生成，進一步提高電池反應的可逆性。在揭示作用機制的基礎上，最佳化條件，以期獲得結構穩定，兼有抑制產物溶解和促進電化學反應的正極，從而改善鋰-硫電池的電化學性能，推動鋰-硫電池的實用。
結題摘要
隨著電子信息、空間探索和高端武器等技術的飛速發展，人們對輕質、高能和長壽命的電池提出了迫切需求，促使高比能電池必須進行變革。新的電化學儲能體系不斷出現，二次電池比能量不斷地提高。但距離高技術發展要求仍然還有很大差距。制約發展的主要原因是正極材料比容量低，鋰離子電池比能量難以滿足套用發展的需要，因而發展新的電化學儲能體系勢在必行。因為鋰硫二次電池具有比能量高、原料廉價、環境友好等優點，所以其套用前景廣闊。目前亟待解決的問題是正極中硫利用率低和充放電過程中循環穩定性差。這個問題產生的原因可歸結為兩點：一是充放電過程中產生的可溶性多硫化物向電解液的溶解，造成正極結構坍塌和活性物質的損失，從而喪失正極中活性反應界面；二是在充放電過程中產生不可逆的還原產物，它在電極表面的覆蓋和團聚，造成電池中電解液離子難以擴散至正極中有效的反應界面。為解決此問題，本課題採用明膠這一多功能黏合劑構建一種新型的鋰硫電池正極反應界面。研究了以明膠為黏合劑鋰硫電池正極的製備方法；成功地設計了以明膠為黏合劑新型多孔硫正極，克服了不可逆產物累積對電極有效反應界面的破壞，保證了在充放電過程中電解液對電極良好的浸潤和離子通道的暢通；利用明膠及動物骨基多孔碳中的活性基團吸附多硫離子的作用抑制了可溶性多硫化物向電解液中的溶解和擴散；進一步提高了電池反應的可逆性。在揭示高性能化作用機制的基礎上，最佳化了正極製備的條件，獲得了結構穩定，兼有抑制產物溶解和促進電化學反應的硫正極，從而改善鋰硫電池的電化學性能。與含有相同硫含量的緻密電極相比，本研究所製備的明膠為黏合劑的多孔硫正極展現了優異的電化學性能， 即在1C倍率下，其50次循環後比容量仍保持1032 mAhg-1，而緻密電極僅為587mAhg-1 。令人感興趣的是在0.1C，1C，2C和3C不同倍率下，正極首次放電比容量可分別達到1370 mAhg-1，1039mAhg-1， 779mAhg-1 和 686mAhg-1；20個循環後，其放電比容量仍能保持在1095mAhg-1，1023mAhg-1，793mAhg-1和 502mAhg-1。完成了預期目標，實現了所製備鋰硫二次電池的正極在1C倍率下循環100次後容量剩餘高於800 mAh g-1（容量保持率≥70%）。這為鋰硫電池的實用化提供了理論依據和實驗數據。
