氮掺杂生物质碳/铁基复合材料的制备及其锂硫电池性能研究

Lithium-sulfur battery is considered as one of the most promising secondary batteries due to the high theoretical capacity and energy density. However, suffering from the low conductivity, shuttle effect and expansion/contraction of the cathode material, the rate capability and cyclic stability of Li-S battery are seriously limited. This proposal aims to prepare N-doped biomass carbon/Fe based composites using green biomass as carbon source, ferric salt as catalyst and iron source, nitrogen-containing precursor as pore-forming agent and nitrogen dopant. The composites with good conductivity, high stability, excellent adsorption and catalysis effect for polysulfide lithium are used as the supporting material of Li-S battery to improve the rate capability and cycling stability. Kinds of physical, chemical characterization methods and principle of primary theoretical calculation will be utilized to study the relationship of synthetic processes between the morphology, composition, structure and properties of the as-prepared composites. Moreover, the adsorption and catalytic mechanism of the composites for polysulfide lithium will be studied and the preparation methods and properties of the composites will be optimized to obtain the new lithium-sulfur battery cathode supporting materials with high capacity, high rate performance and good cycling stability. This proposal is supposed to develop a new preparation method for the electrode material of Li-S battery.

锂硫电池具有高理论容量和能量密度等特点，是目前最具应用前景的新型二次电池之一。然而其正极材料所存在的导电性差、穿梭效应及体积膨胀/收缩等问题导致其倍率性能和循环稳定性较差，严重限制了锂硫电池的发展与应用。本项目旨在以绿色生物质为碳源、铁盐为催化剂和铁源、氮前驱体为造孔剂和氮掺杂剂，制备具有高比表面积、高导电性和优异聚硫化锂吸附和催化性能的氮掺杂生物质碳/Fe基复合材料，并将其作为正极支撑材料以提高锂硫电池的倍率性能和循环稳定性。采用现代材料物理、化学表征手段和第一性原理理论计算考察材料合成方法和条件与材料形貌、组成、结构及性能的相关性，深入探讨复合材料对聚硫化锂的吸附和催化机理，调控和优化材料性能，以开发出容量高、倍率性能好和循环稳定性优异的锂硫电池正极支撑材料，为锂硫电池电极材料的开发与应用开辟新的途径。

锂硫电池具有高理论容量、高能量密度等优点，是目前最具有应用前景的新型电化学储能装置之一。然而锂硫电池正极材料存在导电性差、穿梭效应、体积膨胀/收缩等问题，导致电池倍率性能和循环稳定性不佳，严重限制了其发展与应用。本项目以不同种类的生物质为碳源，以铁盐为催化剂和活化剂，以三聚氰胺等为氮源，制备了具有高比表面积、高导电性和优异聚硫化锂催化和吸附作用的氮掺杂生物质碳/Fe基复合材料。采用现代材料物理、化学表征方法对所制备材料的形貌、组成、结构进行了研究，采用循环伏安法、恒流充放电、交流阻抗法等电化学方法对材料的电化学性能进行了系统分析，采用吸附实验、理论模拟等方法考察了材料吸附催化多硫化物的机理。研究结果表明生物质碳源表面含氧官能团、氮源的用量、Fe前驱体的用量、热处理的温度等因素对所合成材料的结构和性能有着重要影响，而Fe基化合物的组成、颗粒的大小以及是否能够均匀分散在碳层中，是影响材料性能的关键。此外，氮掺杂生物质碳/Fe基复合材料不仅可以加快锂离子和电子的传输速度，提升多硫化物转化速度，还可以对多硫化锂产生较强的吸附作用，减少多硫化物的溶解，从而有效缓解多硫化物的穿梭效应，提升电池的倍率性能和循环寿命。所合成的材料初始放电比容量可达1120.6 mAh g-1，第200次循环后放电比容量为826.9 mA g-1，循环的库仑效率高于99%，在0.5 C循环下的初始放电比容量为970.5 mAh g-1，经过500圈的循环后，仍然有746 mAhg-1的容量，平均每圈衰减率仅为0.046%，具有良好的循环稳定性和倍率性能。通过本项目的研究，阐明了氮掺杂生物质碳/Fe基复合材料的构建原则、结构-性能关系、催化作用机制等关键科学问题，所设计的材料在锂硫电池、锂电池、超级电容器等电化学能源储存与转化等领域具有较好的应用前景，为新能源储存与转化装置电极材料的开发与应用提供了新的思路和方法。