新型高比表面大放电容量的MOFs-石墨烯/硫复合锂硫电池正极材料

The low energy density and poor cycling life of Li/S batteries are the major obstacles preventing its commercialization. In this proposal, a novel MOFs-graphene composite material is proposed as the cathode material for Li/S batteries. The proposed MOFs-graphene composite has large surface area, adjustable pore structure and good conductivity. It is obvious that these unique properties have beneficial impacts in achieving the homogeneous dispersion and high content of the sulfur loading in the prepared MOFs-graghene frameworks when the proposed material serves as the host material for sulfur impregnation. The sulfur utilization will therefore be significantly improved as well as the polysulfide dissolution from the cathode material is prevented. The electrochemical performance of Li-S composite cathode material is then improved, achieving higher capacity and longer cycling life. In this project, the effects of the pore structure and surface chemical properties of the MOFs-graphene composites on the adsorption of sulfur and polysulfide and its electrochemical performance will be investigated. Meanwhile, the preparation methods of MOFs-graphene composite material will be studied. The results of this work would be helpful for the future research on the preparation of the new generation of high performance Li batteries from theoretical and technical aspects.

针对锂硫电池正极材料存在的放电比容量不高和衰减两大问题，本项目提出研制新型高比表面三维导电金属有机骨架MOFs-石墨烯/硫复合锂硫电池正极材料。项目采用高比表面积、孔径可调控的MOFs晶体与高导电石墨烯复合，研制出导电性能良好和高比表面积的MOFs-石墨烯复合材料。用此复合材料载硫，既能提高硫的利用率，又能有效抑制硫化物的流失，制备成高比容量和长循环的MOFs-石墨烯/硫复合锂硫电池正极材料，这是本项目立项的新意和特色之处。在理论层面，研究MOFs-石墨烯的纳微结构、孔结构和表面性质对硫和硫化物的吸附量、吸附力以及电化学性能的影响规律；在技术层面，研究导电性良好和高比表面积的MOFs-石墨烯复合材料以及高放电比容量和长循环寿命MOFs-石墨烯/硫的复合锂硫电池正极材料的制备技术；该项目的研究成果将为制备新一代高性能锂电池提供理论基础和技术支持。

针对锂硫电池正极材料存在的放电比容量不高和衰减两大问题，本项目成功研制出两大类（5种）新型高比表面三维导电金属有机骨架MOFs/硫复合锂硫电池正极材料。.项目主要在理论层面，系统研究了MOFs的比表面积和孔径对硫组分分散、充放电效率、倍率性能以及硫化物循环流失率的影响规律。在技术层面，成功开发出了导电性良好和高比表面积的MOFs-石墨烯复合材料以及高放电比容量和长循环寿命MOFs-石墨烯/硫的复合锂硫电池正极材料的新型制备技术。. 该项目的重要结果和关键结论如下：(1)提出了气-液两步吸附法将硫组分通过高分散的纳米尺度负载于多孔MOFs骨架，并通过石墨烯外包覆提升了MOFs骨架的导电性，同时利用吸附和炭膜协同效应有效抑制了硫化物的溶出率，该部分研究工作发表J. Mater. Chem. A, 2014, 33: 13509-13512，目前他引频次高达34次；(2) 以多巴胺为碳源对多孔骨架进行表面修饰，通过N和O官能团提升锂离子在多孔材料上的传导率和对多硫化物的吸附力，从而有效提升了硫复合正极材料的循环寿命和库伦效率，该部分工作分别发表在J. Power Sources, 2015, 300: 386-394，目前他引频次达17次，Chem, Commun. 2014, 72: 10468-10470，他引频次18次；(3) 提出利用Ti锚定氮掺杂炭包覆S，制备钛氧化物-氮掺杂C双壳层的载硫复合材料，并将硫负载其上制备成高循环稳定性的硫复合正极材料。. 该项目历经四年时间较系统和完整的完成了本项目立项预期的研究内容、研究目的和拟突破的关键技术问题。项目在成果方面超额完成原定计划，发表SCI论文16篇，以第一或通讯发表JCR分区TOP期刊6篇（含有一篇EIS热点和2篇高引论文）；申请了国家发明专利10件，获得授权1件。该项目的研究成果为制备新一代高性能锂电池提供了一定的理论基础和技术支持。