离子液体调控制备纳米硫-石墨烯复合正极及其在高倍率锂硫电池中的应用

Lithium sulfur batteries play an important role in the field of power batteries due to their high theoretical energy density. In order to solve the problem of low capacitance and short cycle life under high-rate, the inter-atomic molecular forces of ionic liquid with double ion characteristics and clusters with the reactant/product, was being used to preparation of the cathode material based on graphene loading with quantum dot structure nano-Sulfur in this program. The reaction mechanism of the preparation of positive materials loading with nano-grade sulfur based on ionic liquid and reduced-graphene, the guiding effect of the microstructure of reduced-graphene and loading vacancy on the distribution of active materials loading were studied to improve the utilization of active material and cycle stability, and then realize the controllable preparation of the cathode materials loading with quantum dot structure nano-sulfur and the power density and energy density synergy output, provide new ideas and technical guarantee for the industrialization application of lithium-sulfur battery.

锂硫电池因具有较高的理论能量密度在动力电池等领域起着重要作用。为了解决它在高倍率下放电容量低和循环寿命短等问题，本项目拟利用离子液体双离子特性及团簇与反应物/产物的分子间作用力，调控制备量子点结构纳米硫负载的石墨烯正极材料。研究基于离子液体和还原石墨烯协同调控制备量子级纳米硫复合正极材料的反应机理及负载硫的微观结构与其电化学性能的构效关系，提高锂硫电池活性物质利用率和循环稳定性，实现量子点结构纳米硫负载正极材料的可控制备及高能量密度和功率密度协同输出，为锂硫电池的产业化应用提供新思路和技术保障。

单质硫的绝缘性质直接影响到锂硫电池的活性物质利用率及倍率性能，提高单质硫与导电基底材料的接触面积，减小团聚颗粒尺寸可有效提高活性物质的利用率，并改善复合正极的电子导电性。本项目从提高活性物质利用率出发，构建及设计具有高活性位点的复合正极。通过提高基底材料的比表面积，指导活性物质负载，减小负载单质硫的颗粒大小。并深入研究基底材料结构特征对活性物质导向负载的作用机制。主要开展了以下研究并取得了创新性成果：（1）研究了离子液体调控制备石墨烯材料及其结构对锂硫电池的电化学性能影响，发现十六烷基乙烯咪唑溴作为分散剂制备的石墨烯材料具有更加均匀的三维结构，并呈现出较优异的电化学性能。（2）研究单质硫负载结构形貌对锂硫电池电化学性能，深入探索了离子液体在单质硫新貌结构的影响，结果表明具有小尺寸颗粒的单质硫在充放电过程中活性物质的利用率更高，尤其是在初始阶段。（3）调控其他反应条件及基底材料的形貌结构进一步提升锂硫电池的电化学性能，设计三维多孔结构材料指导单质硫负载，提高复合材料的导电性。 通过以上研究，我们成功制备了具有高比表面积的碳基材料用于单质硫的均匀负载，有效提升了复合材料的电子导电率，同时三维多孔材料的结构也有利于离子传输，电化学性能表征证明制备的复合材料能够有效的提升高倍率充放电容量及循环寿命。