极性-非极性双壳层包覆硫电极材料制备及高效固硫机制研究

Improving electrochemical performance of sulfur cathode through the electrode surface polarity design is a newly hot research field of lithium sulfur battery. In this project, we propose a novel polar-non polar double wall hollow nanospheres design to control sulfur species distribution in the cathode and study its role on improving cycling performance of lithium sulfur batteries. We will use silica nanoparticles as templates to fabricate oxides-carbon double wall hollow nanospheres and study the influence of templates, synthesis procedure, and annealing conditions on morphologies and structures of as-prepared double wall hollow nanospheres. Several strategies will be tried to infuse sulfur into these hollow nanospheres forming sulfur nanocomposites. The electrochemical performance of as-prepared sulfur nanocomposites will be systematically studied and compared. Furthermore, based on the double wall nanostructures, the variation and distribution of sulfur species will be investigated and their influence on the cycling performance will be studied as well. Finally, we will use in-situ characterization techniques to study the electrode surface change during the cycling and discuss the mechanism of polar-non poplar double wall design for improving performance of sulfur cathode.

电极表面极性设计提升硫电极电化学循环性能及相关机制研究是目前锂硫电池的研究热点之一。本项目拟开展极性-非极性双壳层包覆硫复合正极材料可控制备及相关固硫机制研究。探索以二氧化硅纳米球为模板制备系列氧化物-碳，极性-非极性双壳层纳米结构空心球的普适方法，考察模板选择、化学溶液合成、还原工艺等参数对双壳层结构形貌及微结构的影响规律；采取多种策略构筑极性-非极性双壳层包覆硫复合正极材料，研究其电化学循环性能；并以双壳层包覆硫结构为模型，系统研究电化学循环过程中，硫、多硫化锂和硫化锂在双层壳结构中的分布状态对电化学活性以及循环稳定性的影响；利用原位表征手段跟踪电极材料循环过程中表面化学状态及微结构演变，探讨双壳层结构设计的固硫机制。

锂硫电池由于同时具有高比容量的锂金属负极和硫正极，可将锂电池的能量密度提高到目前商业化锂离子能量密度的5~10倍。但是，硫正极在充放电过程中的长链多硫化锂溶于电解液并扩散至锂负极，与锂反应被还原成短链的多硫化锂后再迁移回正极又被氧化成长链的多硫化锂，周而复始产生多硫化锂的穿梭效应，造成低能量利用率。本项目围绕极性-非极性双壳层包覆硫复合正极材料可控制备及相关固硫机制开展研究，在微观尺度上抑制多硫化锂的穿梭效应，从而实现高效率和高容量的硫正极的制备。具体完成的研究内容包括有：运用“多步模板法”在碳纳米纤维表面上修饰了碳化钛纳米颗粒，并基于这种复合纳米纤维制备了硫正极，展现出了良好的锂-硫电池性能；大规模制备了硫化锌杂化纳米片，并以其作为前躯体获得了碳包覆纳米硫正极，并通过与一维导电添加剂和粘结剂复合，实现了高载量硫正极的制备，展现出优异的电化学性能；制备了一系列金属碳化物-碳纳米复合纤维作为框架材料，用于提升锂硫电池的循环性能。同时在项目执行过程，我们认识到锂硫电池中锂负极的稳定性非常重要，并围绕锂金属负极开展了研究工作，具体包括：构筑三维锂-铜@镍纳米线框架，制备了复合锂负极，在循环过程中可以引导锂金属在网络中的沉积与脱出，抑制锂枝晶的形成和生长，获得了长寿命的锂金属负极；利用冰模板，制备了低曲度垂直孔道复合锂负极，实现了倍率提升。基于以上研究内容，我们获得了高比容量（1253 mAh/g），高倍率（2C，646 mAh/g ）以及高面容量（8 mAh/cm2）的硫正极，以及高倍率、循环稳定的锂金属负极。在项目的资助下，目前我们在国内外核心期刊发表研究论文13篇，申请专利4项。我们所提出的硫正极以及锂金属负极的设计策略由于其普适性以及有效性，有望用到未来的高能量密度锂硫电池中。