纳米金属硫化物/聚合物/单质硫三元复合材料的制备及结构性能研究

硫材料的电化学性能是制约锂硫二次电池发展的瓶颈之一，主要问题在于传统硫电极活性物质利用率低和循环稳定性差。本项目拟在前期工作的基础上，通过材料结构设计和实验方法研究，制备出适合锂硫二次电池正极用的具有高电化学活性和长循环寿命的金属硫化物/聚合物/单质硫三元复合材料，调控其精细结构，分析其构效关系，考察三元复合材料在锂硫电池中的电化学综合性能，探索复合材料制备过程中反应历程和在锂电池中的充放电机制，为高能材料和锂硫二次电池的发展提供理论基础和技术支撑。

未来新能源领域要求动力或储能电池具有高能量密度、长循环寿命、低成本、高安全性和绿色环保，锂硫电池就是此类高能化学电源的典型代表。但硫正极材料循环性能差，一直是制约锂硫二次电池发展的关键因素之一，主要存在如下问题：单质硫为绝缘体，并且放电产物溶解性强。针对硫基正极存在的关键问题，本项目设计和制备了硫基三元复合材料，将硫元素限域在导电聚合物骨架中，再与第三成分进行复合，提高复合材料的电子导电性能。主要研究内容涉及三元复合材料的设计与合成、结构表征、电化学综合性能研究、复合材料制备反应历程和正极充放电机理分析等四方面。为了进一步提高硫基复合材料的电化学综合性能以及改善锂硫二次电池的安全性，本项目还开发了正极用水性粘接剂和阻燃性电解液。.通过与碳纳米管（CNT）、石墨烯（GNS）等导电碳材料进行复合，明显地增强了硫基复合材料的电子导电性能。特别是利用原位聚合方法，在CNT或GNS上聚合聚丙烯腈（PAN）高分子材料，然后再热处理将硫镶嵌在热解裂化的PAN骨架中，复合材料中硫与导电基体达到纳米级甚至分子级分散，并且形貌可调可控，电化学循环稳定性和倍率特性得到了飞跃。水性粘接剂不但降低了电极制备成本、改善环境，而且对于电化学性能具有增强作用。阻燃添加剂将有机电解液的自熄时间降到10S/g以下，甚至达到完全不燃烧，该类高安全性的电解液对于硫基正极的电化学性能不但没有负面影响，而且优化的阻燃剂还显著地改善了倍率放电性能。.上述相关研究成果已经发表在Adv. Funct. Mater.，Energ. Environ. Sci., Chem. Commun., J. Mater. Chem., Electrochem. Commun.等国际重要期刊上。在本项目的资助下，发表SCI论文7篇（均以第一致谢项目号标注）。申请中国发明专利7项，其中3项已经授权，申请国际PCT专利3项。发表会议论文2篇，做分会邀请报告1次。培养博士研究生2名（其中1名已毕业）；硕士研究生4名（其中2名已毕业）。.由此可见，研究工作已经圆满并超额完成了项目申请时的预期成果。