基于三维结构石墨烯为骨架的复合电极材料设计及锂硫电池中的应用

The lithium-sulfur battery has garnered significant attention due to sulfur's large theoretical capacity and low cost. However, the low conductivity and bad stability of sulfur limit its immediate use in commercial applications.Based on the high electrons mobility, high surface area and porous structure of three-dimension graphene, the conception of three-dimension structured graphene composites is proposed for enhancing electrochemical properties of electrode materials. As a typical example, the three-dimension structured graphene/sulfur composites would be fabricated for improving the conductivity and cycling stability of sulfur cathode. The porous structure of three-dimension graphene/sulfur composites and the sulfur loading capacity as well as electrochemical properties would be studied. Metal doped composites and polymer coated composites would be synthesized for further improving the performance of graphene/sulfur cathode.

锂硫电池具有突出的高比能和低成本的优点，有望成为新一代高能电池体系，但循环性能差是制约其应用的主要障碍。基于三维结构石墨烯的高导电、大比表面积和多孔特性，提出以三维石墨烯为骨架的复合电极材料设计思路，通过增强电极材料导电性和稳定性，提高电池性能。具体研究包括:[1]化学气相法制备三维结构石墨烯,通过生长模板的选择,控制三维石墨烯的孔隙结构和比表面积；[2]通过三维结构的石墨烯/硫复合材料设计，以三维石墨烯作为硫正极材料的导电骨架和储藏载体，增强硫的导电性和稳定性，从而提高电池的循环性能；[3]研究三维石墨烯结构对孔容量的影响，探讨复合材料孔隙参数与电化学性能间的关系，优化三维石墨烯及其复合材料的结构设计，制备高含硫量且性能优异的复合材料；[4]探索p型金属掺杂、聚合物包覆等方法对增强石墨烯与硫间吸附、抑制硫溶解的作用，进一步提高电池的循环稳定性。

石墨烯因其特殊的二维单原子层状结构，因此具有大比表面积，高电子导电性等许多优异的数量、化学特性。通过利用石墨烯的大比表面积与高电子导电特性，设计硫分子/石墨烯的新型复合电极结构，可显著提升锂正极材料特性。石墨烯与硫的复合有利于锂离子的快速嵌入与脱出和电子的输运，有利于缓解充放电过程中的体积胀，有利于充放电过程中产生的Li2S 和Li2S2 的分散。并且 石墨烯的p电子云与硫的3p 电子有强相互作用，从而减小穿梭效应。因此，硫分子/石墨烯的新型复合材料具有良好的锂离子存储性能。例如，通过硫辅助剥离法制备得到高性能石墨烯-硫复合材料，当含硫量为73 wt.%的石墨烯/硫复合正极材料，在0.1C（167.5 mA g-1）电流密度下，放电比容量高达1502 mAhg-1。当电流密度增加到2C 时，比容量还能达到560 mAh g-1。该正极材料在高电流密度1C下有良好的循环稳定性，在100 个循环后比容量还能保持在615 mAh g-1，相应的平均库伦效率为96.1%。此外，我们还利用原位沉积方法制备了具有自支撑结构的柔性石墨烯-硫复合薄膜。该薄膜可以直接作为锂硫电池正极。因该石墨烯-硫正极不需要添加导电剂、粘结剂且不使用铝集流体，从而可以大幅提高锂硫电池的比能量密度。