锂硫电池用新型单片海绵碳仿生合成及固硫性能研究

Implementation of high specific energy lithium-sulfur batteries is hindered by limited sulfur active material utilization and the diffusion of polysulfides into the electrolyte solution. Bearing these problems in mind, particular structured carbon matrices embodied a large conductive surface area for S/Li2S deposition and physical barriers on the electrolyte journey to sulfur will be designed and then synthesized in this project. Employing biogenic silica stabilized collagen and collagen-resol hybrid sponges as carbon sources, monoliths of hierarchy carbon fibers and hierarchy carbon fibers with intertwined pores will be obtained respectively through patterning the well-defined porous morphology of collagen. The novel carbon materials are expected to trap polysulfides effectively and fully utilize available sulfur by virtue of their unique hierarchical high-aspect-ratio fiber-fibrils, thin carbon wall and hollow porous structural attributes. This research work would provide valuable theories and key technologies for developing practical lithium-sulfur batteries with stable cycle life and high Coulombic efficiency.

针对高比能量锂硫电池硫利用率低、多硫化物溶解性问题，本项目拟从增加S/Li2S与导电碳的接触面积、构建电解液从电极浸出屏障,进行碳基体材料的设计与合成。以生物硅胶支撑的胶原纤维及生物硅胶支撑的酚醛树脂-胶原纤维作碳源,合成单片具有胶原遗态的分级碳纤维及串孔-分级碳纤维海绵。这两种新型碳材料特有的纤维-纤丝分级结构、极高的长径比、薄碳壁和中空多孔的结构特点,有望实现对担载硫的高效固定和利用，从而为开发循环性能好、库仑效率高的可实用锂硫电池提供理论依据和实验支持。

Li-S电池凭其高理论能量密度、低成本、环境友好的特点，成为未来电力交通和电网储能用最具竞争力的超级电池之一。实现Li-S电池大规模应用的关键是获得与绝缘硫有大比表面积接触，能有效抑制多硫化物穿梭效应的导电障层基体材料。本项目研究开发了能显著改善Li-S电池循环稳定性、库仑效率和倍率性能的新型多孔碳载硫基体材料，为Li-S电池的研究及应用提供可靠的实验依据和理论指导。取得的主要结果如下：.（1）硅胶矿化辅助合成的方法制备出了单片具有胶原遗态的多孔碳纤维材料，并研究了它对活性物质硫的利用率和固硫效果。.（2）制备出了蠕虫状微孔海绵碳材料，其高的比表面积对Li-S电池硫正极比容量和循环稳定性的提高具有重要作用；同时相对以生物质作唯一碳源，我们的生物质/有机碳源联合制备方法合成的碳材料体积能量密度得到提高。.（3）采用便捷的生物矿化诱导自组装仿生合成方法制备了自支撑碳胶囊，该胶囊的碳壁极薄，且比表面积大，多孔度高；其纳米空腔尺寸也极小。在Li-S电池中作为载硫基体，中空多孔碳纳米胶囊在硫的锂化过程中充当了绝佳的电解液进出屏障和离子-电子导电型“纳米反应器”，电池表现出了优异的循环性能。.（4）通过简易溶胶-凝胶模板法批量合成了的三级介孔碳材料。作为硫载体，因其具有极大的比表面积和极大的孔容，小、中介孔与大介孔的协同效用，该碳材料对Li-S电池高倍率条件下的放电比容量、库仑效率及循环性能表现出极大的提升功效。. 上述结果表明，通过调节载硫碳基体的孔结构和颗粒粒径可改善硫正极的导电性、电化学中间产物-多硫化物的溶解逸出，从而得到尤其是在高倍率充放电条件下，比容量大、库仑效率高、循环稳定性好的Li-S电池。