鋰硫電池高容量有機硫化物及其複合材料的研究

《鋰硫電池高容量有機硫化物及其複合材料的研究》是依託廈門大學，由趙金保擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鋰硫電池高容量有機硫化物及其複合材料的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙金保
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

鋰硫電池由於能量密度高、成本低廉、環境友好而被寄予厚望。目前，由於材料導電性差、活性物質硫的利用率低、電化學反應中間產物多硫化物溶解於電解液而引起的循環壽命短等一系列基礎問題，鋰硫電池實現商品化還有一定距離。本項目以提高材料的導電性，抑制多硫化物溶解而引發穿梭反應為研究目標，通過設計併合成具有特定結構的碳硫聚合物與有序介孔碳材料形成複合材料，在此複合材料中，S-S鍵被固定在碳共軛體系中，碳硫聚合物則被限制性地以共價鍵形式結合或強烈的物理吸附在具有良好導電性的介孔材料孔洞表面，以期在獲得電池高容量的同時，提高其循環壽命。項目通過考察材料的結構、表面形貌、元素分布與電化學性能的關係；對不溶性的合成產物和電化學反應產物的結構定量分析，理解碳硫聚合物、複合材料及其組成的電池的電化學反應機理。進而通過改進碳硫聚合物結構、介孔碳的納米結構、複合材料的電極結構提高鋰硫電池電化學性能。

結題摘要

鋰硫電池由於能量密度高、成本低廉、環境友好而被寄予厚望。目前，由於材料導電性差、活性物質硫的利用率低、電化學反應中間產物多硫化物溶解於電解液而引起的循環壽命短等一系列基礎問題，鋰硫電池實現商品化還有一定距離。固硫是鋰硫電池商業化的根本。本項目按計畫合成了碳硫聚合物(CSx)n (x =1.0∼6.0)，將其塗覆在Cu箔上，銅作為作為S-S 鍵斷裂和複合反應的催化劑，提高循環性能。按計畫合成了介孔碳，將碳硫聚合物和介孔碳熱複合，S-S鍵被固定在碳共軛體系中，碳硫聚合物則被限制性地以共價鍵形式結合或強烈的物理吸附在具有良好導電性的介孔材料孔洞表面，在熱複合過程中短鏈的聚硫化物聚合成長鏈的聚碳硫化物，同時釋放一部分S6或S3的硫，由於加熱S6和S3進入到介孔碳的孔徑里，進一步提高此複合材料的比容量。 本項目還從有機固硫拓展到無機固硫，利用過渡金屬與硫元素之間形成穩定的化學鍵，使用銅、鐵等過渡金屬元素作為固硫金屬，合成了硫化銅、硫化亞銅和硫鐵銅等一系列硫化物，獲得了優異的電化學性能，循環穩定性好，倍率性能好。並結合理論計算和實驗對所用電解液體系做了初步探索，發現硫酮化合物可以線上狀酯類電解液中循環。打破鋰硫電池只能在醚類和碸類等非酯類電解液中循環的局限性，使硫化物作為負極套用於商業鋰離子電池中成為可能。銅硫化合物由於與Li2S具有極其相似的晶體結構，具備低的體積應變，因此表現出卓越的電化學性能，特別是倍率性能好，可用於大功率電池中，並首次探討了硫銅化合物作為負極活性物質的可行性。本項目還在純鋰硫電池方面，製備石墨烯/S複合材料。構建了石墨烯導電網路結構，提高材料的導電性，抑制充放電過程中的體積膨脹；同時，還可以通過石墨烯的物理阻擋和對其表面進行修飾改性抑制多硫離子中間體的溶解。石墨烯/S複合材料能很好的改善鋰硫電池的電化學性能。還嘗試將普魯士藍（PB）作為新型多硫離子吸附劑套用於鋰硫電池中。首圈過充現象得到抑制， PB 對多硫離子具有很強吸附作用。