基于碳纳米管的含硫聚合物复合材料制备及在锂硫电池中的应用

To prepare novel cathode materials for lithium sulfur (Li-S) batteries, in this proposal, we are aimed to combine the sulfur-containing polymers and carbon materials (carbon nanotubes, CNTs). As such, the resultant sulfur-containing polymer/CNTs composites have excellent electrochemical activity and good electricity; the performance of the Li-S batteries made of these materials can be improved. In the proposed project, the idea of combining sulfur-containing polymers and carbon materials is proposed for the first time. Through grafting sulfur-containing polymers onto the surfaces of CNTs, not only are the problems such as the dissolution of the polysulfide and volumetric expansion during the discharge/charge process when elemental sulfur is simply composited with carbon materials avoided, but also the critical problem of low electricity of the sulfur-containing polymers can be overcome. Correspondingly, the Li-S battery performance of the sulfur-containing polymer/CNTs composites will be greatly improved. In addition, the proposed synthesis approach for the sulfur-containing polymer/CNTs composites is facile, environment-friendly and cost efficient. Finally, the proposed project offers a new idea for the preparation of cathode materials for Li-S batteries, and the new sulfur-containing polymer/CNTs composites have very important research value in the areas of functional polymers and Li-S batteries.

针对制备新型锂硫电池正极材料这一研究课题，本项目拟将含硫聚合物与具有优异导电性的碳材料（碳纳米管）相结合，制备同时具有优异电化学活性和优良导电性的含硫聚合物/碳纳米管复合材料，从而提高锂硫电池的性能。本项目首次提出了将含硫聚合物与碳材料相结合的思路，通过将含硫聚合物修饰在碳纳米管的表面上，既避免了单质硫和碳材料简单复合时出现的多硫聚合物溶解、充放电过程中体积膨胀的难题，也解决了含硫聚合物导电性差的关键问题，从而提高材料在锂硫电池中应用的性能。本项目提出的含硫聚合物/碳纳米管复合材料制备方法条件温和、过程简便、环境友好、成本低廉，为锂硫电池正极材料的制备提供了新思路，在功能聚合物和锂硫电池领域都具有非常重要的研究价值。

在本项目中，我们利用物理修饰方法成功将含硫聚合物修饰到碳纳米管上，并利用示差扫描量热器(DSC)、热重分析仪(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)等对复合物进行了表征。透射电子显微镜清晰显示无定型的含硫聚合物包裹在碳纳米管上。我们对复合物中含硫聚合物与碳纳米管的含量进行了调控，对含有不同含量聚合物的复合物电化学性能进行了研究，发现当聚合物含量约为50%时，电化学性能最为优异。用此材料作为正极材料，锂硫电池展现出高的比容量和稳定的循环性能。该复合材料通过化学键联固定的硫活性物质，降低在充放电过程中聚硫锂的溶解，减弱其“穿梭效应”，同时碳纳米管的存在提高了整个电极材料的导电性，这些优势显著的提升了其电化学性能。该含硫聚合物/碳纳米管复合材料制备方法条件温和、过程简便、环境友好、成本低廉，为锂硫电池正极材料的制备提供了新思路，在功能聚合物和锂硫电池领域都具有非常重要的应用价值。.在该项目的基础上，我们还创新性地将模板法及原位化学沉积方法相结合将硫纳米粒子镶嵌在三维多孔碳材料中，从而制备具有高载硫量锂硫电池正极材料，复合材料中的含硫量可以非常便捷的进行调节。扫描电子显微镜和透射电子显微镜清晰的显示硫纳米粒子颗粒均匀的分布在多孔碳的孔内和壁上，同时我们发现在硫纳米粒子原位形成的过程中可以形成碳硫键，该化学键合以及多孔碳的物理束缚有效的抑制了聚硫锂的溶解，减弱了穿梭效应，从而明显提升其电化学性能。我们已成功制备了90% 含硫量的三维多孔复合材料(3D S@PGC)，该材料展现出非常优异循环稳定性（2 C电流密度下循环1000周，每周的容量衰减仅有0.039%）和倍率性能。由于单质硫是以纳米粒子的形式存在于多孔碳中，这也显著提升了硫的利用率，其利用率高达82.5%。该工作成功的解决了电极材料硫含量低的问题，在保证高含硫量的同时显著提升性能，给锂硫电池正极材料制备带来了新思路，也给高能量密度锂硫电池的实际应用带来了希望。