多元复合硫碳电极的三维构建及其在电化学反应过程中协同作用的机制研究

There is a strong interest in high performance energy storage devices to meet modern society for their potential civilian and military applications. Li-S battery is considered to be a promising candidate for the next generation of rechargeable batteries because its high theoretical specific energy. However,Li-S battery suffers from several challenges which limits its practical applications. To address the challenges further, our strategy is to utilize hybrid material structures to improve the S-C cathode where one component is used for electron conduction and a second component is used for polysulfide immobilization. With 3D printing method, we use the hybrid material to contruct 3D electrode. In additional, to understand the electrochemical reaction mechanical of the 3D structured hybrid material cathodes, the charge-discharge process of the cells will be further studied by electrochemical analysis combining with the material . Such novel designed S-C cathode can provide a new strategy to acquire the high performance Li-S battery and our investigations on the electrode material, electrode structure and the electrochemical reaction mechanism, are important for further study and application of the Li-S battery.

高性能储能电化学器件的开发已成为电池科学研究的热点之一。在众多候选体系中，锂硫电池由于其较高的能量密度而备受关注。但是，锂硫电池在电化学反应过程中也存在着“穿梭”效应和活性物质导电性不高等问题。针对上述问题，本课题提出一种多元复合协同提升硫碳电极的新策略：即采用多元复合材料中的不同组分分别承担固硫、导电和导离子的作用，从而实现协同提升的目的。同时，为了进一步提升电极性能，本课题还将采用3D打印技术实现基于上述材料的三维电极的有序构建。为了更好地理解上述具有三维结构的多元复合硫碳电极在电化学反应过程中的协同作用机制，我们将采用不同的电化学方法结合多种材料表征手段对硫碳电极的电化学反应过程进行深入的研究。本课题对多元复合硫碳电极材料，三维结构硫碳电极以及相关电池体系的电化学反应机制和微观结构演变机制的研究将为高性能三维硫碳电极和锂硫电池的发展提供新的动力。

高性能储能电化学器件的开发已成为电池科学研究的热点之一，锂硫电池/锂离子二次电池以及新兴储能电池体系备受关注。为进一步提升储能电池材料和体系的电化学性能，本课题采用了一种多元协同的新策略，即采用多元复合材料中的不同组分分别承担结构稳定、导电和导离子的作用，从而实现协同提升的目的。项目团队系统的开展了以MoS2和Co9S8为代表的硫化物的锂硫电池和锂(钠)离子二次电池性能的研究。研究结果表明，电池性能除了和材料的种类，形貌相关，还和二维材料的层间距有一定关系。基于已获得的电池电极材料，我们还开展了高分散性电池墨水的研究, 重点开展了Co9S8和MoS2基打印墨水，实现对硫的高吸附。结果表明表面活性剂的种类和墨水材料的形貌性质对墨水最后的性质有较大的影响。基于制备得的墨水结合3D打印技术，我们开展了三维结构复合电极的研究，并开发了多种不同形状，不同结构的三维硫碳复合电极。.在上述研究基础上，我们进一步开展了复合硫碳电极材料进行改性设计：通过对合成的多元复合硫碳电极的载体的改性如结合碳纳米管或者增大层间距的设计改善硫吸附特性或者离子电子传导能力。分析不同类型的材料设计对硫碳电极的性能的影响。结合电化学性能测试结果，综合评价材料和电池性能特别是电池电极材料比容量和倍率性能之间的关系。.在锂（钠、锌）离子电池的研究方向上，项目团队还采用了多元协同的新策略开发了多种其它类型的高性能复合电池材料，并重点开展了电池的循环稳定性和低温性能的研究。.通过上述设计，三维复合电极的电导率，结构稳定性和离子传输能力均得到了明显的提升，从而优化了电池的性能。本课题对三维复合硫碳复合材料、硫化物电极材料以及电化学储能机制的研究将推动上述电池体系的研发，并为新型储能电池体系的进一步发展打下基础。