基于PVP制备硫化锂/碳复合材料作为锂硫电池正极材料

本论文在国内外研究的基础上,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、硫化锂为原料,采用溶解、重结晶以及高温碳化的方法制备Li_2S/C复合材料,并详细的研究了不同条件对Li_2S/C复合材料电化学性能的影响。由于以PVP和硫化锂为原料受反应环境的限制,所以以硫酸锂为原料、PVP为碳源碳化还原硫酸锂制备Li_2S/C复合材料并探讨了三嵌段共聚物F127(聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO))的加入对Li_2S/C复合材料电化学性能的影响。本论文主要包括以下几个部分:(1)采用PVP为碳源制备Li_2S/C复合材料,并详细研究了不同质量比、不同蒸发温度和不同碳化温度对Li_2S/C复合材料形貌、结构及电化学性能的影响。研究发现当mpvp:mLi_2S=1:1,蒸发温度为150℃,碳化温度为900℃时,制备的Li_2S/C复合材料粉末颗粒较小且均匀,且具有最优的电化学性能。在0.05 C电流密度下其首次放电比容量达到了1024.8 mAh/g,100圈循环后其比容量为500.3 mAh/g,容量保持率为48.8%。(2)采用硫酸锂、PVP为原料,通过混溶和冷冻干燥的方法制备Li2SO4/PVP复合材料,并在800℃高温碳化还原制备Li_2S/C复合材料,研究了不同PVP含量对电池电化学性能的影响。Li_2S/C复合材料的碳含量与PVP的加入量成正相关的关系。适当的碳含量可以提高材料的电子导电率并改善材料的电化学性能,但是碳含量过高会在一定程度上阻碍锂离子的扩散,增大电子传输路径,增加其在充放电过程中的极化,影响电池的放电比容量。

而当mPVP:mLi2SO4=2.8:1时,硫化锂含量为81.2%,在0.05 C电流密度下,样品正极表现出了较高的电化学性能,其首次放电比容量为773.7 mAh/g,100次循环后,放电比容量为478.6 mAh/g,容量保持率为61.86%。(3)以三嵌段聚合物F127为有机结构导向剂,PVP作碳源前驱体,与硫酸锂混溶并冷冻干燥制备Li2SO4/PVP/F127复合材料,再通过高温碳化还原制备Li_2S/C复合材料。加入F127后,Li_2S/C复合材料颗粒尺寸减小,而且在复合材料中存在少量的介孔,这对当mPVP:mLi2SO4:mF127=2.8:1:0.75时,Li_2S/C复合材料颗粒尺寸在200 nm左右,比表面积为15.2 m2/g。组装电池进行电化学性能测试,此时其在0.05 C电流密度下首次放电比容量为988.7 mAh/g,循环100圈后,容量为634.1 mAh/g,容量保持率为64.13%。综上所述,本实验主要以PVP为碳源,利用不同方法制备了两种Li_2S/C复合材料,并使用凤谷连续金属回转窑烧结，并将其运用于锂硫电池当中,初步研究了两种方法制备的Li_2S/C复合材料的电化学性能,为锂硫电池正极材料研究领域提供了重要的探索经验。