锂硫电池二硫化钼基功能夹层材料设计与电化学性能

摘要

目的：随着世界人口的不断增长和经济的迅速发展，人们对能源的需求日益增加。传统不可再生化石燃料的日益枯竭及其造成的严重环境污染问题，亟需开发可再生的清洁能源及其存储体系。锂硫电池以高的理论比电容(1675mAh g-1)和能量密度(2600Wh kg-1)、环境友好和价格低廉等优势，有望替代锂离子电池成为下一代能源存储系统。然而，锂硫电池的实际应用仍受到诸多问题的制约，其中最为严峻的是硫的电化学反应中间产物多硫化锂的穿梭效应、负极锂枝晶生长导致的严重安全问题。本学位论文基于MoS2纳米片，设计、制备了四种新型结构的锂硫电池功能夹层材料，研究了功能夹层对抑制多硫化锂穿梭、加速锂离子扩散、抑制锂枝晶生长的影响，取得了如下研究成果： (1)采用一步水热法制备了放射状少层MoS2微球(3D MoS2)，并作为锂硫电池正极夹层。MoS2纳米片组装在三维框架中有效地防止了堆叠、团聚，提高了对多硫化锂的吸附效率，同时开放、有序的3D结构促进了锂离子扩散，降低了界面阻抗。基于3D MoS2夹层组装的电池循环600圈后的比电容保持率为62.6%，比电容衰减率降低至每圈0.06%。 (2)通过水相反应合成了聚多巴胺包覆3D MoS2微球，经高温煅烧制备了具有核壳结构的氮原子掺杂碳包覆3D MoS2微球(MoS2@NC)正极夹层材料。这种核壳结构结合了多硫化锂催化剂MoS2与导电碳的特点，提高了多硫化锂的转化速率，抑制了多硫化锂的穿梭，从而显著提高了锂硫电池的循环稳定性，在循环1500圈后的比电容保持率为50.5%，比电容衰减率低至每圈0.033%。 (3)设计、制备了具有核壳结构的MoS2纳米片包覆介孔SiO2微球(SiO2@MoS2)，并作为锂硫电池正极夹层。利用介孔SiO2良好的电解液浸润性与MoS2优异的多硫化锂吸附能力，实现了夹层材料抑制多硫化锂穿梭、促进锂离子迁移的平衡。基于SiO2@MoS2夹层组装的电池具有良好的倍率性能和循环稳定性，循环2500圈后的比电容保持率为44.7%，衰减率仅为每圈0.028%。与MoS2纳米片夹层、介孔SiO2夹层进行比较研究，为制备高性能功能夹层材料的结构设计提供了新思路。 (4)采用层层自组装方法，将聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)-纳米MoS2杂化物和聚丙烯酸均匀有序地吸附在商业隔膜两侧，制备了层状复合超轻夹层材料，其中聚丙烯酸层的物理屏蔽和化学吸附作用能够阻隔多硫化锂的穿梭，而结构坚固、具有锂离子传导能力的MoS2层可增强隔膜的力学性能、抑制锂枝晶生长。该方法制备的隔膜夹层具有超轻的特点(0.10mg cm-2)，该隔膜夹层所组装的锂硫电池表现出优异的循环稳定性，在2000次循环中每次循环的比电容衰减率仅为0.029％，为锂硫电池隔膜夹层材料的制备提供了一种简单、经济、可规模化的新方法。

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