微孔材料在锂硫电池正极和隔膜材料的应用研究

With the increasingly serious energy crisis and environmental problems, the lithium ion battery become the world's new green chemical power source. Compared with traditional lithium ion battery, lithium-sulfur battery has advantages of high energy density, environment friendly and was recognized as the best candidate for the next-generation lithium-ion batteries. At present, lithium sulfur batteries still have some unsolved problems, such as poor electrical conductivity of elemental sulfur, polysulphide dissolving and Shuttle effect, poor stability of metallic lithium electrode, all of which were serious impact on the practical application of lithium sulfur batteries. This project study the performance improvement of cathode and composite membrane of lithium-sulfur battery based on microporous materials including traditional zeolite and metal organic framework. For the cathode of lithium sulfur batteries, the microporous materials can serve as carrier and precursors to fabricate of porous carbon materials for the sulfur. For the membrane materials of lithium sulfur batteries, the microporous materials can serve as obstacle for the polysulphide and effectively reduce the shuttle effect of polysulfide. Thus effectively improve the performance of lithium sulfur batteries and cycle stability, provide research data for the practical application of lithium sulfur batteries.

随着能源危机和环境问题的日益严峻，锂离子电池成为当今世界极具发展潜力的新型绿色化学电源。相对于传统锂离子二次电池，锂硫电池具有高比容量、高能量密度、环境友好等优点，被公认是下一代锂离子电池的最佳候选。目前，锂硫电池仍存在一些问题尚未解决，例如单质硫导电性差，多硫化物溶解和穿梭效应，金属锂电极稳定性差等，严重影响了锂硫电池的实际应用。本项目针对锂硫电池自身特点和目前存在问题，以传统的沸石分子筛和金属有机框架等微孔材料为研究对象，研究其在锂硫电池正极材料和复合隔膜材料等关键基础材料方面的应用，微孔材料作为硫载体，增强正极材料和多硫化物的分子间作用力；利用微孔材料作为复合隔膜材料，有效降低多硫化物的穿梭效应，从而有效提高锂硫电池的性能和循环稳定性，为锂硫电池的实际应用提供研究数据。

随着能源危机和环境问题的日益严峻，锂离子电池成为当今世界极具发展潜力的新型绿色化学电源。相对于传统锂离子二次电池，锂硫电池具有高比容量、高能量密度、环境友好等优点，被公认是下一代锂离子电池的最佳候选。目前，锂硫电池仍存在一些问题尚未解决，例如单质硫导电性差，多硫化物溶解和穿梭效应，金属锂电极稳定性差等，严重影响了锂硫电池的实际应用。本项目针对锂硫电池自身特点和目前存在问题，以金属有机框架等微孔材料为研究对象，研究其在锂硫电池正极材料、隔膜、电解质等关键材料方面的应用，有效提高锂硫电池的性能和循环稳定性，为锂硫电池的实际应用提供研究数据。本项目主要研究内容包括：1. 微孔材料在锂硫电池正极材料的应用。从数以千计的微孔金属-有机框架材料中筛选出结构稳定，孔道合适的几种金属-有机框架材料作为作为硫正极载体，考察微孔材料作为主体材料对于锂硫电池正极材料性能的提升；2. 微孔材料在锂硫电池复合隔膜的应用。利用微孔材料具有单离子导体的特性，制备锂硫电池复合隔膜，发挥微孔材料孔道均匀的特点，阻隔多硫化物和无活性硫组分在硫正极一侧，减小对负极的腐蚀和穿梭效应，提升锂硫电池的循环稳定性；3. 微孔材料作为锂硫电池的固态电解质。通过对微孔UIO-66-NH2进行后修饰，把TFSI基团修饰到主体框架中，构建具有单离子导体性能的新型微孔材料，经过后修饰的微孔材料在锂离子传输率，锂离子迁移数等关键性能指标上有了大幅度提高，组装的全电池具有优秀的循环稳定性和容量保持率，为微孔材料在全固态锂离子电池中的应用提供了新的思路；4. 开发了一种新型锂硫电池添加剂，设计了一种小分子添加剂，具有超快吸附多硫化物的性能，能够在5秒钟之内快速吸附充放电过程中游离到电解液中的多硫化物，减小多硫化物的穿梭效应，提高锂硫电池的循环稳定性。本项目的研究为微孔材料在锂硫电池中的应用，解决锂硫电池目前存在的科学问题等提供了有价值的研究策略和研究数据。