硅藻基多孔SiOx/C-S复合正极材料可控制备及其储能机理研究

Li-S battery is a promising energy storage system due to its high specific energy density, low cost and environmental friendliness. However, several practical problems derived from sulfur cathode have hampered widespread application of Li-S battery. On the one hand, the conventional sulfur composites often suffer from the complicated process, high raw cost and the uncontrollable microstructure. On the other hand, sulfur cathode has fundamental defects, such as low ionic/electronic conductivities, poor cyclic stability and shuttle effect. This project is aiming at the controllable fabrication of porous SiOx/C and SiOx/C-S composites, which use natural diatoms as biotemplates, since the morphology, structure and composition of diatoms can be comprehensive utilization. The effect of fabrication process parameters on the microstructure of porous SiOx/C composites will be systematically investigated to reveal the formation mechanism. The influence of crystal phase, microstructure and surface chemical state of SiOx/C composites on the lithium storage performance will be thoroughly studied to reveal the working principle of SiOx/C composites and the mechanism of efficient energy storage of SiOx/C-S composites. In addition, it is expected to prepare new and effective composite cathode materials, which can meet the practical application of Li-S batteries. This project also will provide important experimental and theoretical perspectives for the exploration of biotemplated methods to synthesize other new functional oxides-based carbon composites.

Li-S电池具有比能量密度高、价格低廉及环境友好等优点，有望成为新一代高能电池体系。针对目前硫正极材料存在的两方面难题：一是制备工艺复杂、成本较高、结构难以调控；二是硫正极材料存在导电率低、循环稳定性差、穿梭效应严重等根本性缺陷。本项目拟从生物结构和生物资源的综合利用出发，以具有分级多孔结构的硅藻为模板，通过遗传其形貌、微结构和化学成分，制备多孔SiOx/C载体材料及SiOx/C-S复合电极材料。系统考察合成工艺参数对SiOx/C复合材料的影响规律，揭示硅藻模板的形貌、微结构、化学成分“三位一体”传承机制；深入剖析SiOx/C载体材料的相组成、微结构、表面状态等特性对储锂性能的影响，探讨SiOx/C对Li2Sx的作用机理，阐明SiOx/C-S复合材料的储锂机制，以期制备满足Li-S电池实际应用的新型复合硫正极材料，为探索生物模板法合成其它新型氧化物-碳复合材料提供重要的实验和理论依据。

锂硫电池因其具有比能量高、价格低廉及环境友好等优点，有望成为新一代高能储能器件。本项目以高能量密度硫正极材料为主要研究对象，针对目前硫正极材料制备工艺复杂、结构难以调控、导电性差和“穿梭效应”等问题，从生物结构和生物资源综合利用角度出发，以廉价、易得、尺寸均匀、形貌多样的生物材料（如微藻、稻谷壳、酵母等）作为模板和原料，通过遗传其形貌、微结构和化学成分，制备多孔生物碳基载体材料，缩短了电子和离子传输距离，改善了活性材料硫的电化学反应活性，有效抑制了多硫化锂溶解和迁移，从而大幅增强了电池的循环性能和倍率性能。本项目主要研究内容分为三个部分。首先，系统研究了合成工艺对SiO2颗粒尺寸，结晶性、微结构及表面化学状态等特性的影响规律，并以微藻和稻谷壳为生物模板和原料合成了系列SiOC/C复合材料。结果表明：这些材料可作为锂离子电池负极，并表现出优异的电化学性能。其次，通过研究发现传统热扩散方式储硫难以发挥载体材料的优点，本项目发展了两类适于高效储硫的新方法，分别为超临界法和电化学沉积法。通过调变与硫复合的工艺参数，阐明了超临界法和电化学沉积法对硫在载体材料中的分布状态、结合方式及化学价态等特性的作用机理，并建立了复合材料结构与其电化学性能之间的构效关系。最后，本项目发展了系列生物碳基载体材料，揭示了生物碳载体的相组成、微结构、表面状态对多硫化锂的作用机理，阐明了改善硫正极材料电化学性能的可能途径。本项目的研究成果对高比容量、长循环寿命硫基正极材料的合理设计和可控合成具有重要的参考作用。