氮硫掺杂碳材料和四氧化三钴纳米管的制备及其在锂硫电池中的应用

摘要

便携式电子产品的快速发展带动了全球对能源存储系统升级的需求。与其他储能器件相比，锂硫电池理论容量高并且超高能量密度大，因此被认为是最有前途的可充电电池之一。限制锂硫电池大规模应用的障碍主要包括以下几个方面：（1）单质硫、Li2S2和Li2S的导电性差；（2）正极和负极在反应中体积变化大；（3）负极和正极之间的多硫化锂的“飞梭效应”。因此寻找和设计具有优异电化学性能的锂硫电池电极材料至关重要。为解决以上问题，本文合成了杂原子（氮和硫）掺杂碳基质材料与过渡金属氧化物（四氧化三钴）材料，并将它们作为锂硫电池的正极材料，研究内容如下： 1.杂原子掺杂碳材料的合成及其在锂硫电池正极中的应用：首先以尿素和柠檬酸为原材料，通过简单的溶胶-凝胶法制备反应前驱体，随后将前驱体在管式炉中进行950℃的煅烧，在氩气气氛下得到氮掺杂碳材料，在氩气和硫化氢混合气体气氛下得到氮硫双掺碳材料。将氮硫双掺碳材料作为锂硫电池正极中的硫宿主材料和中间层材料，当载硫量为80%时，该材料不但表现出高的放电比容量，而且具有良好的循环稳定性，具体结果为：在0.2C的电流密度下，表现出高达1371.7mAh g-1的首圈放电比容量；在电流密度为2C和5C时，电极分别得到了975.4mAh g-1和594mAh g-1的首圈放电比容量，经过500次的循环之后，依然保持647.1mAh g-1和393.6mAh g-1的高放电比容量。优异的电化学性能归功于氮硫双掺碳材料具有高的缺陷程度、大的比表面积和大的孔体积，可以增强多硫化锂的化学吸附和缓解体积膨胀。 2.四氧化三钴纳米管的合成及其电化学性能研究：首先以四水合乙酸钴（Co(OAc)2·4H2O）为原料，在体积比为1∶2的水和乙醇混合溶剂中陈化72h得到前驱体，随后将前驱体进行煅烧，得到四氧化三钴（Co3O4）空心纳米管。当Co3O4作为锂硫电池正极的硫宿主材料时，其在0.2C的电流密度下获得了1049.3mAh g-1的初始放电比容量，154mV的低过电位，我们推测Co3O4纳米管的高比表面积和大孔体积的中空管结构可提供足够的空间，能有效地装载硫，以提高活性物质的利用率，最终提升锂硫电池的电化学性能。同时将Co3O4纳米管应用到锂离子电池，并作为负极材料，在100mA g-1时，经过50圈循环后，该材料仍能保持1081.5mAh g-1的高比容量。Co3O4纳米空心管电极表现出的卓越电化学性能可以归结于：独特的空心管结构不仅提供更多的空间来缓解锂离子（Li+）嵌入-脱出过程引起的体积巨大变化，而且缩短了Li+的扩散距离，使其在电池中具有更快的反应动力学和获得更高的比容量。

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