异质结材料的制备及其在锂硫电池中的催化性能研究.pdf

摘要

随着社会的飞速发展和环境问题日益严峻，人类对能量密度高的二次电池的需

求日益强烈。锂硫（Li-S）电池拥有较高的能量密度及理论比容量，而且硫（S）单

质清洁无污染，成本较低，储量丰厚。影响Li-S电池高性能的因素大多集中在正极

侧，一方面硫和硫化锂是绝缘体，二者在转换的过程中会产生约79%的体积变化，

导致电极结构易损坏；另一方面易溶于电解液的多硫化物（LiPSs）会发生穿梭效应，

进而导致Li-S电池硫使用率降低、自放电、电池过充等问题。针对以上问题，本文

采用静电纺丝结合原位生长等方法构筑了多种异质结核壳碳纳米纤维用于锂硫电

池正极硫复合材料。本论文的主要研究内容和成果如下：

（1）硫氧化还原反应在Li-S电池中至关重要，通常涉及复杂的多相转化过程，

但单组分催化剂不能在双向氧化还原过程中充分发挥作用。本文设计并合成了

ZnO@NiOPN结来解决这个问题。自发产生的内建电场（BIEF）可诱导界面电荷重

新分布，使得ZnO和NiO界面间可以转移更多电子，这虽然会削弱其强大的吸附

性能，但却加速了LiPSs的转换动力学。由于LiPSs的中等吸附能力和减小的硫化

锂转化能垒，ZnO@NiOPN结的固有催化活性可以进一步加速硫化锂的双向转化。

（2）在第一个实验的基础上，设计并合成了一种莲藕状ZnO@MnO2PCNFs作

为Li-S电池的正极，其在充放电过程中也表现出优异的双向氧化还原能力。交联互

通的纳米纤维网络具有极高的比表面积和孔隙率，这有利于提高Li-S电池的能量密

度和电荷传输速度。且这种多孔碳纳米纤维和纳米片结合的异质结在提升电池的硫

负载和循环稳定性方面均显示出巨大优势，这使得它们更有利于实际应用。

（3）LiS的成核动力学对Li-S电池放电进程极为重要，故调控LiS的成核动

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力学至关重要。本文在第二个实验的基础上，设计并合成了一种CoSe@SnOPCNFs

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并将其作为Li-S电池正极材料。CoSe@SnOPCNFs完美融合了导电PCNFs、高催

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化活性CoSe量子点和极性SnO纳米片的独特属性，PCNFs可加速CoSe量子点

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的电子转移，保证CoSe可充分发挥其催化能力，促使LiPSs快速转化为不溶性

LiS/LiS沉淀，而SnO纳米片可将LiPSs牢牢吸附在异质结表面。CoSe@SnO

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PCNFs表现出独特的三维花状LiS沉淀，且显示出独特的3D成核模式，这大大促

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进了LiS成核动力学，进而进一步提升电池的氧化还原动力学。

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关键词：Li-S电池；静电纺丝法；异质结；正极材料；吸附-催化

Abstract

Withtherapiddevelopmentofsocietyandtheincreasinglysevereenvironmental

problems,peoplesdemandforhigh-energy-densitysecondarybatteriesisincreasingly

strong.Lithium-sulfur(Li-S)batterieshavehigh-energy-densityandtheoreticalspecific

capacity,andsulfur(S)