氮掺杂石墨烯/硫复合正极材料的制备及其电化学性能研究
锂硫电池理论比容量高（1675mAh·g-1），原料硫来源丰富、价格价廉且对环境友好，因此被认为是一种前途无量的高性能可充电锂电池。然而由于单质硫和放电产物Li2S的电子和离子绝缘性，使硫正极材料的活性物质利用率低，倍率性能差。而且循环过程中的中间产物多硫化锂的溶解可导致容量的快速衰减和严重的自放电。另外循环时硫体积的巨大变化易引起电极粉化。这些问题严重阻碍了锂硫电池的实际应用。因此为了针对上述问题，本文将氧化石墨烯(GO)、三维石墨烯(3DG)和氮掺杂石墨烯(NG)引入到锂硫电池正极材料中。 (1)通过带负电的氧化石墨烯和带有阳离子表面活性剂的硫颗粒之间的静电自组装，得到氧化石墨烯/硫复合材料(S@GO)。由于小尺寸(1-2μm)的球形硫颗粒被氧化石墨烯纳米片良好地包覆住，S@GO-1复合材料在0.1C下表现出了较高的首次放电比容量（1061.6mAh·g-1），50次循环后有56.7％的容量保持率，展现了较好的循环稳定性。此外，循环时有高达约98％的库伦效率。 (2)通过简单的一步水热法，得到三维石墨烯/硫复合材料(3DG-S)。此法同时完成氧化石墨烯的还原以及其与纳米硫颗粒（约10-40 nm）的自组装复合。纳米硫颗粒有利于缩短锂离子的扩散距离。由还原氧化石墨烯组成的三维多孔导电网络结构有利于改善复合材料中的电荷和离子迁移速率。另外还原氧化石墨烯上残留的含氧官能团有良好的吸附硫与多硫化物的能力，能有效减少中间产物多硫化物在电解液中的溶解，提高循环稳定性。因此，3DG-S复合材料表现出了优秀的电化学性能。3DG-S-1复合材料在0.5C下经历100次循环后，依然有高达583.1mAh·g-1的可逆比容量和高达72.3％的容量保持率。此外，3DG-S-1复合材料的库伦效率高于98％，还有良好的倍率性能(1C时约680mAh·g-1，2C时约620mAh·g-1)。 (3)为了进一步提升硫正极材料的电化学性能，制备了氮掺杂石墨烯/硫复合材料(NG-S)。以三种氮源通过简单的一步水热法得到NG。氮掺杂和氧化石墨烯的还原同时完成。随后，用化学沉积法或者加热复合法使硫与NG复合，制备出几种NG-S复合材料。其中NG-1W/S复合材料含硫量高达75.5wt％，0.7 C时经过100次循环仍有723.9mAh·g-1的放电比容量，容量保持率高达87.4％，库伦效率约为98％，循环稳定性优异，大倍率性能也很优异（1C时约780mAh· g-1，3C时约610mAh·g-1）。优秀的电化学性能归功于氮掺杂石墨烯NG-1W与硫的良好复合、氮掺杂对石墨烯骨架的导电性提升，以及掺杂氮原子对多硫化锂的强吸附能力。石墨烯骨架也有助于减轻充放电时的体积效应。另外，NG-1W/S复合材料中吡啶型氮占所有掺杂氮的比例较高，拥有更好的多硫化锂吸附能力。
锂硫电池;正极材料;氧化石墨烯;三维石墨烯;氮掺杂石墨烯;制备工艺;电化学性能
北京化工大学
硕士
材料工程
赵东林;董明
2016
中文
TM912;TM242:TM205.1
114
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）