基于碳化细菌纤维素及其前驱体的锂硫电池正极材料、多功能夹层及电池隔膜的研究

Lithium-sulfur battery has been expected to be applied to electric vehicles, smart grids and other fields due to its very high energy density. At present, the key problems for the cathode of lithium-sulfur battery are mainly three aspects: the low conductivity of sulfur and its discharge products, the diffusion of polysulfide, and the expand of the electrode material during the electrochemical reaction. In this project, we will develop a series of multifunctional composite materials based on carbonized bacterial cellulose (CBC) and its precursor (BC) aerogel, which can effectively solve the above problems. Using the N-doped CBC aerogel with three-dimensional continous structure as the support, the high-loading carbon aerogel/sulfur cathode will be obtained. The CBC interlayer composite could be prepared by loading porous carbon with ultralight CBC. A new battery separator which could control the diffusion of polysulfide will be obtained by introducing Nafion into BC aerogel. By the electrochemical test and analysis for the multiple nano-composites system, the multilevel retardation for polysulfide and their synergistic effect would be mainly researched on. On the basis of the experimental work, we will develop the lithium-sulfur battery with large specific capacity, excellent cycle performance, high coulombic efficiency. This project will provide a solid theoretical basis for the practical application of lithium-sulfur battery.

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、智能电网等领域。如何改善硫及其放电产物的导电性、抑制多硫化物的扩散、调控电化学反应过程中电极材料的体积形变，是目前锂硫电池正极体系的关键问题。本项目将研究基于碳化细菌纤维素（CBC）及其前驱体材料（BC）气凝胶的、可有效解决上述问题的多功能复合材料体系。以三维连续结构的氮掺杂CBC气凝胶为硫载体，制备高负载量的碳气凝胶-硫正极材料、利用多孔碳与轻质CBC复合制备多功能夹层、通过BC与Nafion的复合制备可有效控制多硫化物扩散的新型电池隔膜。通过系统的电化学测试分析，重点研究针对多硫化物扩散进行多级抑制的内在机理及各级间的协同作用。最终研发出具有大比容量、优异循环性能、高库仑效率的锂硫电池，为锂硫电池实际应用奠定坚实的理论基础。

进入新世纪以来，化石能源在有力推动人类社会迅速发展的同时，其开发利用过程也带来了严重的生态环境问题。加之化石燃料储量有限且日渐枯竭，围绕化石燃料资源的地缘政治博弈错综复杂，资源输送通道存在隐患。因此，开发具有高效、环保、可再生特性的新能源体系不仅为社会发展提供绿色动力，而且还事关国家能源安全战略的大局。.本项目以一种生物质材料细菌纤维素（BC）及其碳化材料（CBC）为研究核心，主要研究了BC纤维表面原位修饰、CBC碳化工艺改善、碳质材料杂元素掺杂机制等。重点研究了高温环境下杂元素掺杂的机制及各种键合形式杂元素的演变规律；掺杂量和各键合形式对于储能器件电化学行为的影响。我们以锂硫电池和锂离子电池为主要模型，构建了基于CBC纳米纤维的电池正极、负极、超轻多功能夹层等功能材料。合理阐述了CBC三维碳纳米纤维材料在促进电解液导通、缓解活性组分体积变化、提供高效纳米导电网络、发挥柔性和自支撑特性等方面起到的重要作用。.电化学测试表明，在400 mA g-1的电流密度下锂硫电池经过400次循环之后仍能保持约700 mAh g-1的比容量，该过程平均库仑效率约98.3%。结合电化学阻抗的分析我们认定，超轻CBC夹层在提升电解液浸润性、降低电池整体阻抗、尤其在缓解多硫化物过度聚集等方面发挥了重要作用。基于上述分析我们创新性地提出了从运动角度解决多硫化物穿梭问题的新方案。.我们比较研究了基于CBC导电载体的无定型和结晶态氧化铁复合电极电化学性能的差异。研究表明无定型纳米复合材料在放电比容量、循环稳定性、倍率性能等诸多方面具有显著优势。CBC纳米纤维载体所构建的同轴包覆微纳结构为进一步优化电化学性能发挥了关键作用。.杂元素掺杂通过改变电子自旋、电荷分布等显著影响新能源系统电化学行为。我们尝试利用BC丰富的功能基团担载杂元素前驱体，利用高温煅烧的方法进行碳质材料杂元素掺杂。系统研究了不同含氮前驱体、煅烧温度等对于复合材料杂元素掺杂量及键合形式的影响。重点阐明了调控掺杂量和键合形式对于优化材料电化学性能的关键作用及其作用机理。