可对多硫离子的扩散进行多级抑制的活化石墨烯基锂硫电池正极材料

Lithium-sulphur battery has been expected to be applied to electric vehicles and other fields due to its very high energy density. In order to effectively improve the cycling performance and coulombic efficiency of the lithium-sulphur battery, the retardation of the diffusion of polysulphide ions during the reaction has become one of the research focuses in this field. In this project, we will develop an activated graphene-based nano-composite system, which can retard the diffusion of polysulphide ions at multilevel. Using the activated graphene with three-dimensional nanoporous structure as the support, the activated graphene/sulphur composite will be obtained. Then, mesoporous silica nanoparticles and graphene nanosheets will be coated on the outside surface of the the activated graphene/sulphur composite, and a multiple nano-composite system will be obtained. By the electrochemical test and analysis for the multiple nano-composite system, the restriction effect of the nanopore in activated graphene for polysulphide ions, the reservoir function of mesoporous silica for polysulphide ions, and the confinement effect of the graphene nanosheets coating for polysulphide ions will be studied systematically. The characteristic of the retardation at multilevel will also be studied. On the basis of the experimental work, we will develop the lithium-sulphur battery cathode materials with excellent cycle performance and coulombic efficiency.

锂硫电池具有非常高的能量密度，有望大量应用于电动汽车等领域。如何抑制多硫离子的扩散，有效改善电池的循环性能与库仑效率，已成为应用中急需解决的关键问题之一。本项目将研究基于活化石墨烯的、可对多硫离子的扩散进行多级抑制的多重纳米结构复合材料体系。以三维纳米孔结构的颗粒状活化石墨烯为载体，制备活化石墨烯/硫复合体，接着在该复合体外表面负载介孔SiO2纳米粒子、包覆石墨烯纳米片，获得多重纳米结构复合材料。通过电化学测试分析，研究活化石墨烯纳米孔道的约束效应、介孔SiO2 的存储功能、石墨烯纳米片包裹层的限制作用，对多硫离子扩散的多级抑制特征。研发具有优异循环性能与库仑效率的锂硫电池正极材料，为其实际应用奠定坚实的实验基础。

锂硫电池具有高的理论比容量和能量密度，是当前最有前景的二次电池体系之一。然而，现阶段锂硫电池的发展仍然面临着很多挑战，主要包括：（1）单质硫和硫化锂的绝缘性问题；（2）多硫化物的穿梭现象；（3）放电反应过程中电极材料的体积膨胀。为解决上述问题，一条最有效的途径就是将硫负载到具有高的电子电导率和离子电导率同时又可以限制多硫化物扩散的基体中。活性碳因具有高比表面积、大孔容、小尺寸纳米孔道和高电导率等特点，充分满足了锂硫电池正极材料对碳基体的要求。本课题主要研究了可调节孔结构参数的活化石墨烯、原位硫还原氧化石墨烯包覆活化石墨烯和超高比表面积生物质基活性碳作为硫载体，应用于锂硫电池正极材料。. 利用具有可调节孔结构参数的活化石墨烯做为硫载体，系统研究了其比表面积和孔容，以及不同的硫负载量对锂硫电池电化学性能的影响。具有更大比表面积（3064 m2 g-1）和孔容（2.18 cm3 g-1）的活化石墨烯碳（AG3）可以提供更多的反应点位，因而增强了硫和放电产物（Li2S2/Li2S）与导电碳骨架的接触，同时减少了充放电循环过程中的孔堵塞。因此，负硫量为72%的AG3/S复合电极在800 mA g-1时，经过1000圈的长循环，其容量保持率达到50%。该部分研究工作对小尺寸孔道的活性碳类材料在锂硫电池中的应用具有重要的指导价值。. 通过高温原位硫还原的方法，合成了一种还原氧化石墨烯包覆的活化石墨烯/硫多重复合材料。电化学测试结果表明，原位硫还原氧化石墨烯包覆层明显提高了电极的比容量、倍率性能和长循环性能。该包覆层有利于大电流倍率下快速的电荷传递，同时有效地抑制了穿梭效应，并且可以很好地调节放电过程中的体积膨胀。复合电极在1600 mA g-1的大电流下，经过2000圈的长循环，其容量保持率达到39%。该部分研究工作为实现锂硫电池的长循环运行提供了一条有效途径。. 以废弃的荔枝壳为原材料，通过KOH活化方法，制备了超高比表面积和大孔容的活性碳，将这种活性碳作为硫载体应用于锂硫电池正极中，组装的电池表现出高比容量、良好的倍率性能和优异的长循环稳定性。活性碳具有的大比表面积和孔容不仅提高了硫含量（超过70 wt%），而且促进了硫均匀分散在活性碳导电骨架内，提高了硫的导电性。该部分研究工作为锂硫电池硫载体的开发提供了一条新的思路。