《石墨烯基高性能柔性鋰硫電池的構建及性能研究》是依託清華大學，由牛樹章擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：石墨烯基高性能柔性鋰硫電池的構建及性能研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：牛樹章
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目致力於從器件角度出發構建具有高能量密度、長循環壽命的柔性鋰硫電池。項目首先發展了微觀和巨觀織構可控的低成本石墨烯製備及功能化調控技術，研究了三明治結構柔性硫正極、石墨烯基矽負極的不同製備工藝對電極結構和電化學性能的影響；深入研究了柔性硫正極、石墨烯基矽負極以及不同電解液體系對鋰硫電池電化學性能特別是循環穩定性的影響，探討了硫正極、矽負極及電解液與多硫化物之間的作用機制；最佳化石墨烯基柔性矽負極的預鋰化工藝以及研究了不同工藝對矽負極結構及電化學性能的影響；最終設計和組裝了柔性鋰硫電池，探索並最佳化器件組裝和製備工藝，得到具有高能量密度、長循環壽命的新型柔性鋰硫電池。項目的實施將為石墨烯基材料的功能化設計、電極的可控構建提供思路和必要的科學基礎；同時本項目將在保證正負極高倍率、長循環性能的基礎上，最佳化鋰硫電池各部分的匹配關係，最終促進柔性鋰硫電池的廣泛套用，推動鋰硫電池的產業化和規模化。
結題摘要
鋰硫電池具有理論能量密度高、環境友好、成本低廉等優點，但仍存在活性物質利用率低、循環穩定性和安全性差等問題，成為制約其實用化的瓶頸。本項目發展了新的鋰離子-硫全電池體系，其中採用具有三明治和鋼筋混凝土結構的硫電極作為正極，具有自支撐結構的預鋰化石墨烯包覆矽-碳薄膜為負極。對於硫正極，紙團狀石墨烯-硫雜化材料被PVP修飾的碳納米管纏繞，並夾在兩層由石墨烯構成的片層之間，構成具有三明治結構的硫正極。這種獨特的結構不僅能夠提供鋰離子和電子的快速傳輸通道，並能有效的抑制多硫化物的穿梭效應和容納充放電過程中硫的體積膨脹。對於負極，石墨烯緊密的包裹住由無定型碳包覆的矽顆粒，這可以有效的容納矽充放電過程中的體積膨脹，並能提供良好的電子傳輸網路。當組裝成矽-硫全電池時，在1C倍率下循環時，首次容量可達905 mAh g-1，經過800周循環後容量仍保持在650 mAh g-1，每周的容量損失率僅為0.035%，表現出良好的循環穩定性。此外，採用水熱處理和離子交換方法製備得到還原石墨烯-雙金屬硫化物雜化材料，其中納米雙金屬硫化物顆粒均勻的分散到石墨烯的片層上，確保良好的電接觸。在這種雜化材料中，雙金屬硫化物納米顆粒不僅能夠通過化學鍵合作用來限制多硫化物的穿梭，更重要的是能在充放電過程中通過催化轉化來促進多硫化物向不溶硫化物的轉變。此外，還原石墨烯具有相對較高的比表面積可以提供良好的導電網路和結構穩定性。由於這種獨特的結構設計和組分組成，該G-NCS雜化材料在負載81.5 wt%的硫作為活性物質，仍能展現出高的面積比容量、良好的倍率性能和增強的循環穩定性，高的活性物質利用率。這些為研究高安全性、長循環性能鋰硫電池儲能器件，提供了新思路和理論依據。
