《單質硫正極材料在納米尺度下的電極過程研究》是依託華中科技大學，由袁利霞擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：單質硫正極材料在納米尺度下的電極過程研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：袁利霞
- 依託單位：華中科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Li-S電池是最具潛力達到實際能量密度350Wh kg-1以上的可充電池體系。然而，這一電池體系卻長期受到電化學利用率低和循環性不佳的困擾。鑒於硫及其放電產物的電子絕緣性，人們一直採用對其反應中間產物具有良好溶解能力的電解質體系，以保證硫電極的充放電反應深度和動力學性質，但中間產物的溶解同時會導致活性物質流失等一系列問題，嚴重影響硫電極的循環穩定性。這一矛盾在傳統的鋰硫電池體系中很難得到根本解決。我們近期的的研究結果初步證實，納米尺度下的硫材料，表現出不同於傳統材料的電化學活性，配合適當的電解液，可以突破傳統的溶解-沉積的電極反應模式，有望從根本上解決上述矛盾，實現高容量和良好循環性的統一。本項目將在製備系列納米硫複合正極材料的基礎上，深入分析納米硫複合材料的電化學活性和其所涉及的具體電極反應過程，建立材料的電化學行為與物質結構以及電解液體系之間的聯繫，為鋰硫電池的研究和開發提供新的思路。
結題摘要
本項目圍繞硫複合材料與硫電極的製備、硫正極在納米尺度下的反應機制以及基於納米硫材料的電極綜合性能開展研究工作。其重要研究結果如下: 1、微孔碳/硫納米複合正極的電極過程：通過研究有序微孔碳/硫複合正極材料在碳酸酯類電解液和醚類電解液中的電極行為,結合理論計算,提出了了小分子硫/微孔碳類複合材料在電極過程中的“固-固反應”機制：微孔碳的孔徑介於小分子硫和碳酸酯類溶劑分子的尺寸之間，因而碳微孔可以成功阻止溶劑分子與多硫化鋰的接觸，避免了二者之間的不可逆化學反應；同時，這一電極過程中鋰離子和電子的傳導都依靠碳骨架進行，實現了“固-固”電極過程；另外，這一結果也成功揭示了小分子硫與碳酸酯類電解液的相容性機理。這項研究初步明確了硫電極電解液的選擇依據，為高性能鋰硫電池的開發提供了重要依據。 2、鋰硫電池複合正極材料設計：針對介孔碳/硫和微孔碳/硫兩個複合材料體系的特點，我們設計了一種分級結構的碳材料：微孔碳包覆在介孔碳的表面，形成“核-殼”複合結構。這種碳材料同時具有兩種體系的優點卻有效避免了其各自缺點：內部介孔結構保證高載硫量和高放電電壓；表面的微孔碳殼限制多硫化鋰的溶解，穩定電極循環性能。 3、鋰硫電池複合正極/功能性隔膜設計：開發了多種工藝簡單、適合規模化生產的複合電極結構以及功能性隔膜，比如（1）介孔碳/硫@微孔碳/硫雙正極結構以及商品化導電高分子PEDPT:PSS包覆層修飾的硫正極；（2）SnO2/C修飾的功能性隔膜以及Nafion/Super P修飾的功能性隔膜。這些工作通過簡單的電極/隔膜的結構設計，達到“固硫+回收利用”的雙重效果；特別值得提出的是，這些方法原料易得，工藝簡單，具有規模化生產的潛力。 申請人關於硫正極方面的研究工作在學術界獲得了高度認可，並應邀撰寫了關於硫基複合材料的綜述，發表在Carbon（2015）上。
