《高能量密度、長循環壽命鋰硫二次電池正極材料的研究》是依託蘇州大學，由曲群婷擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高能量密度、長循環壽命鋰硫二次電池正極材料的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：曲群婷
- 依託單位：蘇州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋰硫二次電池具有理論能量密度高（2600Wh/kg）、成本低廉、環境友好、自然資源豐富、安全性好等突出優點，成為近幾年來國內外先進化學電源發展的重要方向之一。然而，單質硫及其放電產物的低電子電導率、硫電極放電中間產物長鏈多硫化鋰的溶解、充放電過程中較大的體積形變等缺點限制了鋰硫二次電池的發展和套用。本項目擬製備多種多孔結構的過渡金屬氧化物骨架來填充硫單質，希望利用氧化骨架與多硫化物之間的鍵合作用來抑制多硫化物的溶解和提高電極材料的穩定性，並優先選用一些在硫電極的工作電壓範圍內具有一定鋰離子傳輸和儲存能力、電子導電能力較高的過渡金屬氧化物（如Fe3O4、MoO2、LixMoO3和AgV2O5等）來填充硫單質，從而改善鋰離子在硫基材料中的遷移，提高電極材料整體的利用效率和能量密度。此工作的開展，可拓寬改善硫基正極材料電化學性能的途徑和方法，提高實現鋰硫二次電池套用的可能性。
結題摘要
鋰硫二次電池由於其極高的理論能量密度（2600Wh/kg）成為近幾年來國內外先進化學電源的重要研發方向之一。然而，單質硫及其放電產物的低電子電導率以及硫電極放電中間產物長鏈多硫化鋰的溶解阻礙了鋰硫二次電池的發展和套用。該項目主要是通過製備具有較高電導率的金屬氧化物或聚合物與硫的複合正極材料，來提高硫基活性材料的利用效率並抑制多硫化物的溶解。所取得的主要研究結果有以下幾部分內容：（1）製備了具有優良電導率的介孔結構的MoO2，通過熔融法填充硫單質後，發現MoO2的氧化骨架與硫之間能夠形成較強的S-O鍵合作用，從而有效抑制多硫化物從正極的溶解，同時MoO2的介孔結構和高電導率有利於電子和鋰離子傳輸，使得MoO2/S複合物在作為鋰硫二次電池正極材料使用時，顯示出極好的充放電可逆性、循環穩定性和高功率性能；（2）分別製備了中空微球結構Fe3O4/硫和核殼結構硫@聚吡咯兩種二元複合正極材料，藉助於Fe3O4和聚吡咯優良的電子電導率及其作為外層包覆殼的保護作用，複合材料具有較好的充放電性能；（3）分別製備了硫/微孔碳十二面體@TiO2和多級核殼結構的硫@FeOOH@氧化石墨烯兩種三元複合正極材料，發現對硫正極的過度保護並不能使充放電性能提高，反而會適得其反，導致電池難於進行可逆的充放電循環；（4）通過對硫電極進行多種方式的保護，研究了硫正極過保護的作用機制。發現在碳/硫複合正極和碳紙夾層雙重保護下，電池在首次放電中硫單質完全轉變為Li2S，多硫化物的溶解被完全抑制，電池難於進行可以有效的充放電。而完全未被保護的純硫電極會產生多硫化物的過度溶解和嚴重的穿梭效應，電池容量在長期循環中快速衰減。在碳紙夾層單一保護下的硫電極，顯示出極好的充放電性能，可逆容量高達1380 mAh g-1，在100次循環後容量仍保持有1070 mAh g-1，說明對硫電極的適度保護也即多硫化物的適度溶解是鋰硫二次電池可逆循環的先決條件。該項目的實施，不僅論證了藉助於金屬氧化物的氧化骨架與硫之間較強的S-O鍵合作用抑制多硫化物溶解的可行性，而且發現高導電率的氧化物基體有助於提高硫基正極材料的高倍率性能，顯示出導電金屬氧化物在鋰硫二次電池中有著較好的套用前景。此外，該項目的研究結果對硫正極的保護機制提供了一種全新的解釋，對鋰硫二次電池性能的進一步最佳化具有重要的理論和實踐指導作用。
