改性多孔TiO2材料的制备及其Li-S电池性能的研究

摘要

锂硫电池因具有较高的比容量，且作为其主要活性物质的S来源广泛，价格低廉，地球存有量高，环境友好无污染，具有很好的应用潜力和前景。然而锂硫电池较差的循环寿命限制了其工业化，而其较低的循环稳定性主要因为：（1）活性物质S及放电产物多硫化物的绝缘性；（2）穿梭效应导致活性物质流失，电性能下降快；（3）S的体积膨胀率大造成电极材料结构粉化；（4）锂枝晶。针对这些问题，本文通过对二氧化钛材料改性，并应用于锂硫电池的电极材料、隔膜部分，通过抑制多硫化物的穿梭效应，改良电池的储能性质，并探究了电池稳定性机理。 首先，本文对多孔TiO2进行改性，分别通过与SnO2、NiO、Pt氧化物复合，以提高TiO2导电率，提高复合材料的比容量。同时TiO2的多孔结构能够限制其他氧化物在循环过程中产生的体积膨胀，增强电池的循环稳定性。通过改变复合材料中SnO2的掺杂量，制备了5%、10%、15%三种不同SnO2质量分数的SnO2-TiO2复合材料。结果表明：在200 mAh·g-1的电流密度下，5%含量的TiO2-SnO2首次放电比容量为339.4 mAh·g-1；300圈时电池比容量为147 mAh·g-1，体现出了最佳性能。而TiO2、SnO2-TiO2、NiO-TiO2、Pt-TiO2氧化物复合材料的首次放电比容量分别为：259.6 mAh·g-1、339.4 mAh·g-1、284.5 mAh·g-1、271.7 mAh·g-1；SnO2-TiO2具有最高的比容量性能。 在以上无机材料改性多孔TiO2基础上，本文继续尝试通过导电聚合物聚吡咯（PPY）对多孔TiO2改性，将复合材料应用于锂硫电池的正极。研究表明，TiO2-PPy-S首次放电比容量为564.2 mAh·g-1；300圈后容量剩余量为61.5%，与其循环稳定性具有极大的提高。电池优异的性能主要是由于TiO2-PPy电极材料具有一维通孔结构、利于硫化物分子的传递和扩散；TiO2对硫化物分子的强吸附作用，有效阻止了硫化物等活性物质的流失。同时通过复合聚吡咯来改性二氧化钛和S的导电性，增强材料的离子导电率，从而提高电极的比容量和循环稳定性。 在改性电极材料的同时，论文进一步研究了锂硫电池隔膜改性对其运行稳定性的影响。C-TiO2作为硫化物分子吸附材料涂覆在传统的多孔PP膜表面，在0.2C的电流密度下放电比容量高达1334.7 mAh·g-1，50圈循环后比容量仍有78%的剩余量，具有良好的循环稳定性。和单独的炭黑涂覆PP膜相比，其比容量提升了约200 mAh·g-1。

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