《具有表面修飾層的硫碳複合正極及其儲能機理研究》是依託中南大學，由方靜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：具有表面修飾層的硫碳複合正極及其儲能機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：方靜
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋰硫電池是一種極具套用潛力的高能量密度儲能器件，但是單質硫和其還原產物的導電性差、充放電過程中易生成溶於電解液的多硫化物並在正負極間穿梭，導致活性物質不可逆損失，使得電池循環性能差、庫倫效率低。為解決該問題，項目基於電場作用下極性分子定向移動這一原理，設計了一種具有表面修飾層的硫碳複合正極。該正極以硫碳複合材料製備正極基底，通過磁控濺射手段在其表面生長不同材質和結構的修飾膜層，阻擋多硫化物的溶解擴散和穿梭，並為多硫化物還原產生的Li2S/Li2S2提供宿留空間。項目重點研究修飾層的形成機理和反應動力學，揭示合成條件對於膜層結構和理化性能的影響規律，找到具有優異性能的複合正極表面修飾層及製備工藝；研究電場作用下，鋰離子和多硫離子通過表面修飾層在電極中的傳輸行為與特徵，闡明膜層作用機制和新型複合正極的儲能機理，建立其工作模型，為設計高容量、長壽命的鋰硫電池奠定理論基礎。
結題摘要
鋰硫電池作為下一代高能量密度二次電池之一，近年來顯示出巨大的套用潛力，成為了當前儲能材料和器件領域的研究熱點。為了解決鋰硫電池中由於單質硫及還原產物導電性差、充放電過程中易生成溶於電解液的多硫化物而產生“穿梭效應”，導致活性物質利用率低、電池循環性能差及庫倫效率低的問題，項目運用磁控濺射、表面塗覆技術設計並成功在鋰硫電池結構中構築了不同的表面修飾層，獲得了具有表面修飾層的硫碳複合正極，達到有效抑制多硫化物溶解穿梭，改善電極循環性能的目的。項目重點研究了硫碳複合材料及電極基體的製備、表面修飾塗層的構築和性能調控、以及修飾層的阻硫機理和作用機制。通過研究合成條件對表面修飾層的物化性能和阻硫作用的影響，獲得了最佳化的工藝條件；通過一系列電化學手段和方法研究了具有表面修飾層複合硫正極的性能，解析了表面修飾層的作用機理和多重功效，闡釋了新型複合電極的反應機制，建立了具有表面修飾層的電極反應動力學模型。研究表明，多孔碳材料製備的硫碳複合基體對活性物質硫具有良好的限域和固定作用，實驗通過水熱條件下實現了三維多孔石墨烯的自組裝和水熱碳在石墨烯孔壁上的定向生長，獲得了具有680 cm3 g-1的比表面積和0.94 cm3 g-1的孔容的層次孔碳/石墨烯氣凝膠，以其製備硫碳複合材料獲得到了高導電性和高穩定性的正極基體；研究通過表面塗覆的方法在硫碳複合正極基體上構築了導電碳和粘接劑的修飾層，有效改善了硫碳複合電極的循環性能，0.5 C電流密度下，經表面塗層修飾後的電極硫含量為60%，首次放電比容量為962 mAh g-1，100次循環後的放電比容量695 mAh g-1；研究採用磁控濺射在碳納米管紙表面構築了一層MoS2修飾層，用作鋰硫電池夾層時顯著改善了硫電極的循環性能，濺射了10分鐘MoS2修飾層的電池在0.5 C循環100次後仍有850 mA h g-1的比容量研究驗證解析了表面修飾層的對多硫化物具有限域、宿留、吸附、催化轉化的作用和協同機制，獲得的關鍵數據、重要結果和科學結論，對於深入理解鋰硫電池反應機理，設計高容量、長壽命的鋰硫電池提供了理論和實踐指導。
