【摘 要】
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锂硫（Li-S）电池因具有能量密度高、对环境友好、资源丰富等优点而被认为是替代新能源汽车中锂离子电池的主要候选者之一。在过去的十年中,人们对Li-S电池进行了大量的研究工作。经研究发现因单质硫与硫化锂（Li2S）密度不同产生的体积膨胀、单质硫与Li2S的不导电性和中间体多硫化物的穿梭效应是导致Li-S电池循环稳定性差和容量保持率低的主要原因。针对上述问题,本文以具有高比表面积、催化功能和多硫化物强
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锂硫（Li-S）电池因具有能量密度高、对环境友好、资源丰富等优点而被认为是替代新能源汽车中锂离子电池的主要候选者之一。在过去的十年中,人们对Li-S电池进行了大量的研究工作。经研究发现因单质硫与硫化锂（Li2S）密度不同产生的体积膨胀、单质硫与Li2S的不导电性和中间体多硫化物的穿梭效应是导致Li-S电池循环稳定性差和容量保持率低的主要原因。针对上述问题,本文以具有高比表面积、催化功能和多硫化物强吸附能力的二氧化钛纳米管（TiO2NTs）作为基底材料,与具有催化作用的Co基材料和导电碳材料复合,形成可以增强电池导电性和有效锚定多硫化物的隔膜涂层材料。将上述复合材料应用在Li-S电池隔膜上,主要研究内容如下:（1）通过碱性水热法合成具有高比表面积的二氧化钛纳米管/还原氧化石墨烯（TiO2NTs/RGO）复合材料,将复合材料抽滤在聚丙烯（PP）隔膜上并应用在Li-S电池中。TiO2NTs/RGO隔膜不仅通过化学结合和物理吸附的共同作用定位迁移的多硫化物,还通过降低电化学电阻来增强锂离子的迁移。通过X射线光电子能谱测量（XPS）和吸附实验证明了TiO2NTs/RGO涂层具有优异的化学和物理吸附能力。通过扩散实验和电化学测试系统分析了锂离子的迁移过程。当TiO2NTs和RGO的比例为3:2时,在0.2 C下TiO2NTs/RGO电池的初始放电容量为1303.3 m Ahg-1,经过100次循环后该电池仍具有620.6 m Ahg-1的放电容量。通过隔膜特性测试表明TiO2NTs/RGO涂层具有良好的电解质润湿性,有利于锂离子传输,并进一步增强了长链多硫化物的转化反应。（2）通过溶剂热法合成具有管状结构和双重催化作用的TiO2-Co Ox复合材料,同时添加了碳纳米纤维（CNF）以进一步获得TiO2-Co Ox/CNF隔膜。TiO2-Co Ox/CNF隔膜不仅通过管状结构为多硫化物附着提供了更多的活性位点,还通过TiO2-Co Ox的催化性能增强了反应动力学。通过透射电镜（TEM）测试和氮气（N2）吸脱附实验证明了TiO2-Co Ox/CNF涂层独特的三维管状结构和高比表面积。通过扩散实验和电化学阻抗测试证明了锂离子的高效传输速率。通过X射线光电子能谱测量（XPS）证明了TiO2-Co Ox/CNF涂层对多硫化物有很强的化学吸附作用。当TiO2NTs和Co Cl2·6H2O质量比为1:1时,TiO2-Co Ox/CNF电池在0.2 C下显示出1381.3 m Ahg-1的初始放电容量,经过100次循环后该电池仍具有630.8 m Ahg-1的可逆容量,具有最佳的比容量和循环稳定性。（3）通过静电纺丝和热退火方法制备具有锐钛矿/金红石相的TiO2NTs材料,再通过TiO2NTs材料和CNF材料复合获得TiO2NTs/CNF隔膜。TiO2NTs/CNF隔膜不仅通过化学吸附作用捕获可溶性多硫化物,还在脱/嵌锂过程中通过催化性能加速锂离子的传输速率。通过X射线光电子能谱测量（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）测试证明了优异的化学吸附能力。通过扩散实验和电化学阻抗测试证明了锂离子的快速转移速率。在0.2 C下,TiO2NTs/CNF电池显示出1397.2 m Ahg-1初始放电容量,具有优异的循环容量及性能,显著提高了Li-S电池的循环稳定性。
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