高性能锂硫电池隔膜修饰材料的制备及电化学性能研究

【摘要】：锂硫(Li-S)电池因其高理论比容量(1675 mAh g~(-1))、高能量密度(2600 Wh kg~(-1))、低成本和绿色环保等优点,近年来引起了广泛关注。然而,可溶性中间产物多硫化物(Li PSs)的穿梭效应导致了活性物质的损失和缓慢的氧化还原反应动力学,从而影响锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。本论文将碳化钛(Ti_3C_2T_x)材料应用于锂硫电池的正极及隔膜修饰,并合理设计3D Ti_3C_2T_x气凝胶结构修饰隔膜,有效地抑制了Li PSs的穿梭效应,实现了优异的电化学性能。具体研究内容如下:我们设计并制备了三维Ti_3C_2T_x气凝胶改性隔膜应用于Li-S电池。Ti_3C_2T_x气凝胶的这种特殊结构,不仅有效地避免了二维Ti_3C_2T_x材料的重堆叠现象,使更多可以吸附多硫化物的活性表面暴露出来有效锚定多硫化物,而且由于Ti_3C_2T_x表面的高电导率,加快了多硫化物的氧化还原反应动力学,有效抑制穿梭效应。因此,具有Ti_3C_2T_x气凝胶修饰隔膜的Li-S电池具有优异的电化学性能,在0.1C(1 C=1675 mAh g~(-1))电流密度下具有极高的初始放电比容量1487 mAh g~(-1),并且在2 C时仍可达到670 mAh g~(-1)。在1C电流密度下经过1500圈循环后,表现出极低的每圈0.037%的容量衰退率,显示出了优异的循环稳定性和较长的循环寿命。这项工作证实了Ti_3C_2T_x材料可有效抑制多硫化物的穿梭效应,实现高性能的锂硫电池,并且为隔膜修饰材料的设计提供新思路,以实现更优异的电化学性能,为锂硫电池商业化生产排除障碍。