碳纳米材料在锂硫电池正极材料中的研究现状

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基于前一节中提到的锂硫电池诸多致命缺点，科学家们近些年研究出了不少可被推广的正极材料，研究发现把硫和碳纳米材料进行复合处理，可以有效地解决硫的电子导电性、离子导电性差等问题，同时也能避免单质硫造成的飞梭效应，使正极材料得到了改善。下面介绍一些正极材料，来了解它们的实用价值。63449

石墨烯/硫复合材料

石墨烯/硫复合正极材料是通过化学键作用形成的几乎单碳原子厚度的二维复合材料。科学家Evers S等人通过呈橙色的多硫化钠(Na2Sx)盐溶液和盐酸反应产生硫研制出了石墨烯包裹硫的复合正极材料。如图1.8所示用多硫化钠、盐酸以及氧化石墨为反应物，在常温下使硫以小颗粒的形式镶嵌在石墨稀上制得，电池充放电需在电流密度为0.2C，其比容量稳定在在500mAh/g附近[29]。石墨烯的许多优良性质特别是其大的比表面积和良好的导电性使其在锂硫电池电极的研究上有空前的发展意义。以石墨烯作为基础材料更能促进锂硫电池充放电过程中发生的电荷转移，外加良好的柔韧性使它在活性物质体积膨胀过程中提供一定的空间。不过这种材料也存在缺陷，其所得的硫颗粒较大，可能造成与石墨烯无法充分地键合起来，会对制作出来的锂硫电池的性能产生一定的影响。

Evers S等人对石墨烯/硫复合材料的制备过程

活性炭/硫复合材料

前文中提及活性炭的诸多优点，促使它与硫的复合材料成为了一种很好的锂硫电池正极材料，将它们经过热处理可实现复合。Elazari R等人把硫进行热处理法均匀地分布在活性炭小圆盘中。把这个载有硫的小圆盘作电极制得电池[30]，其测试结果如下：循环充放电80次后的比容量大约为800 mAh/g；Wei SC运用煅烧猪骨头得到较好的活性炭，然后通过热复合方法把它与硫复合起来，将这复合材料作电极材料制得的锂硫电池测试结果：循环充放电50次后的比容量大约为700 mAh/g；Zhang J等人运用煅烧、活化柚子皮等方法获得较高比表面积的活性炭材料[31]，同样运用热复合的方法将它们复合成活性炭/硫的复合材料作为电极制成的电池测试结果：循环充放电100次后的比容量大约为750 mAh/g。经过科学家们多次实验可以发现将活性炭与硫复合制得的锂硫电池长时间循环充放电的比容量仍然可以稳定在很高的值，这对于锂硫电池的电化学性能有很大的提高。

多孔碳/硫复合材料

硫负载在多孔碳的孔隙当中去，形成多孔碳/硫复合材料，采用了这一技术，首先，可以充分利用碳材料的强导电性改善硫的电化学性能，使制成的电极导电性更好；其次，跟活性炭一样的多孔隙结构和高比表面积可以吸附掉Na2Sx，抵制它的溶解和扩散，克服了石墨烯/硫复合材料的缺点；然后，多孔碳的孔结构特点还可以缓解硫的体积膨胀等变化，还有较大的比表面积也是其优势。日前较为常见的多孔碳/硫复合正极材料有前面说到的活性碳以及中微孔碳球、介孔碳、膨胀石墨等。近几年康奈尔大学的Archer等人运用硅模板法合成了69.75％含硫量的空心介孔碳[32]。在电流密度0.5C下循环充电100次后比容量仍在950mAh/g左右，这种空心结构的介孔碳对硫单质的固定很有效，同时在实验中可避免多硫化物的浪费，其较高的传电能力使其优良电极材料的优先选择。

碳纳米管/硫复合材料论文网

碳纳米管/硫复合材料是当下广为探索的一种碳纳米与硫复合电极材料，前文提到的针状碳纳米管对提高材料中活性物质的使用效率有很大积极作用，在碳纳米管的表面上包覆单质硫得到的容量可以高达大约1000mAh/g，在这方面就比普通的单质硫与碳的复合材料电化学性能有很大优势，此外其循环电容量也有较大的加强[23]。Juchen Guo等人在高温状况下进行真空热处理成功复合了碳纳米管和硫，在经过80多次的循环测试后其电容量仍可稳定在700mAh/g左右[13]，可见这种电极材料的高循环容量保持率和相当高的比容量。这种复合电极材料虽然能在一定程度上增大比容量和循环容量，但是在经过长期循环充放电后仍然存在着不可避免的容量衰减现象。这可能是由于硫单质被注入到预先合成的碳纳米材料的孔隙结构当中，然而这些孔存在着开口，生成的多硫化物还是会通过这些开口逃逸出来从而溶解到电解液中去，随后形成的硫化锂等沉积物外加进一步充电转化成的单质硫就会改变电极结构，导致容量衰减现象的发生。通过研究发现进一步对碳结构进行封闭处理包覆，可以有望增强锂硫电极的容量保持率，如经过今后不断改善，相信这种碳/硫复合材料会被广泛采纳。