无机碳-有机导电聚合物协同修饰的硫化锂三元复合材料的储能研究

Lithium sulfur batteries have been considered to be one of the most promising next generation energy storage devices with high capacities. In the typical lithium sulfur batteries, sulfur is for cathode and metal lithium is for anode, thus the safety issue of the lithium sulfur batteries has become much more serious. In this proposal, a ternary inorganic carbon-organic conducting polymer co-modified lithium sulfide composite is designed and prepared by ball milling method in inert atmosphere and polymerization method in pure organic solvent. And it is used as the cathode material for lithium sulfur batteries. The inorganic-organic co-modified interaction will be investigated. The relationships between the co-modified interaction, the structure and the electrochemical performances are planning to be studied. This proposal shows great potential to improve the performance and the safety of the lithium sulfur batteries.

锂硫电池被认为是下一代最有潜力的高容量储能体系之一。传统的锂硫电池以硫为正极，金属锂为负极，使安全性成为了除电化学性能以外锂硫电池发展中的关键问题。采用硫化锂作为正极是提高锂硫电池安全性的一个有效手段。本项目设计了无机碳-有机导电聚合物协同修饰的硫化锂三元复合材料结构，通过惰性气氛球磨法与纯有机相聚合法相结合的关键技术实现无机碳-有机导电聚合物协同修饰的硫化锂三元复合材料的可控制备，并将其用作锂硫电池的正极。该项目将研究无机碳与有机导电聚合物对硫化锂的协同修饰作用机制，探索影响协同修饰作用的因素以及协同修饰作用与电化学性能的关系，分析材料微观结构与宏观电化学性能之间的相互作用，揭示其电化学储能的作用机理。该项目将建立无机碳-有机导电聚合物协同修饰的硫化锂三元复合材料的结构模型及材料微观结构与电化学性能相互作用机制模型，为高性能与高安全性锂硫电池体系的研究提供重要的理论基础和实验依据。

锂硫电池被认为是下一代最有潜力的高容量储能体系之一。采用硫化锂作为正极是提高锂硫电池安全性的一个有效手段。在该项目中，研究了无机-有机协同修饰作用对锂硫电池“穿梭效应”的抑制机理，并研究了制约硫化锂正极发展的首圈活化电压降低的多种策略。首先利用多层碳化钛（ML-Ti3C2）对硫化锂正极进行修饰改性，我们设计了一种多层片状材料ML-Ti3C2用来与Li2S复合，研究了二维多层片状的ML-Ti3C2对锂硫电池中的多硫化物的物理吸附作用和化学吸附作用，对多硫化物“穿梭效应”的抑制作用，揭示了Li2S活化势垒降低的机理；接下来我们选择了聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）作为有机组分，三维活性炭（3DAC）作为无机导电基体，与硫复合，制备出具有特殊微纳结构的无机碳/导电聚合物/硫三元复合材料，研究了该微纳结构以及无机碳材料-有机导电聚合物之间的协同效应以及物理-化学协同作用对锂硫电池充放电过程中的中间产物多硫化物“穿梭效应”的抑制原理；同时，通过电化学法剥离法制备掺硼的石墨烯材料对锂硫电池正极材料进行修饰改性，在该工作中，制备出了具有层数少、尺寸大、缺陷少、导电性好的硼掺杂石墨烯，通过物理吸附和化学吸附的方式限制多硫化物的溶解，促进多硫化物的转化，有效缓解了充放电过程中的体积膨胀，极大提高了电池的电化学性能；此外，我们还将痕量乙醇作为一种降低硫化锂活化电压的有效电解质添加剂应用在锂硫电池中，我们提出了利用溶解的机制，使Li2S颗粒之间的界面从固固界面变为固液界面，来降低锂硫电池中Li2S正极首圈活化电压。乙醇的加入，极大增加了硫化锂与导电碳材料的接触面积，提高了电子传输速度，从而有效地降低了Li2S电极的活化势垒，该方法具有普适性，用其他能溶解Li2S的溶剂代替乙醇也可以得到类似的结果。该项目建立了无机碳-有机导电聚合物协同修饰的硫化锂三元复合材料的结构模型及材料微观结构与电化学性能相互作用机制模型，为高性能与高安全性锂硫电池体系的研究提供重要的理论基础和实验依据。