碳硫復(fù)合工藝對鋰硫電池電化學(xué)性能的影響

代敦三

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著煤炭等不可再生資源的過度開采，我國的能源資源正呈現(xiàn)逐步衰減的趨勢，在此大環(huán)境下，可再生能源的開發(fā)成為了重中之重[1]。而以太陽能、風(fēng)能為代表的可再生能源受外部環(huán)境影響較大，因此尋找清潔、高效的儲能系統(tǒng)顯得尤為重要[2]。

鋰硫電池在儲能系統(tǒng)中有著較大影響[3]。鋰硫電池以硫單質(zhì)作為電池正極，以金屬鋰作為電池負(fù)極進(jìn)行電池的組裝，具有穩(wěn)定、質(zhì)量小等優(yōu)點[4]。但是由于充放電的穿梭效應(yīng)及體積膨脹效應(yīng)，鋰硫電池自身具有一定的局限性[5]。為此，目前常通過將硫單質(zhì)與碳等其他材料進(jìn)行復(fù)合的方式進(jìn)而改善電極的電化學(xué)性能[6]。基于上述背景，本文研究了熱復(fù)合法、水熱復(fù)合法、四氯化碳溶劑熱復(fù)合法這3種復(fù)合方式對電化學(xué)性能的影響。

1 鋰硫電池的結(jié)構(gòu)及其工作原理

鋰硫電池的工作原理是基于氧化還原反應(yīng)，以硫單質(zhì)作為電池的正極，以金屬鋰作為電池的負(fù)極[7]。當(dāng)鋰硫電池放電時，負(fù)極的鋰電子Li+會向正極移動，然而與正極的硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而形成硫化鋰。當(dāng)鋰硫電池充電時，鋰離子會再次回到負(fù)極，硫化鋰中的硫離子再次還原為硫單質(zhì)。鋰硫電池的充放電反應(yīng)過程如下所示：

2 碳硫復(fù)合電極材料的制備

下面分別介紹碳硫熱復(fù)合法、水熱復(fù)合法、四氯化碳溶劑熱復(fù)合法這3種復(fù)合方式的電極制備流程。其中碳材料和硫材料分別選擇文獻(xiàn)[3-7]的PC-61碳材料和升華硫材料。

熱復(fù)合法的電極制備過程為：將0.1 g的碳材料與0.2 g的硫材料充分研磨，將研磨得到的粉末置于管式爐中，設(shè)置溫度為155 ℃，將碳硫兩種材料進(jìn)行充分的熱復(fù)合。

水熱復(fù)合法的電極制備過程為：將0.1 g的碳材料及0.2 g的硫材料相繼置于蒸餾水中，然后對材料進(jìn)行超聲分散處理后，設(shè)置溫度為155 ℃，再次進(jìn)行復(fù)合處理最終可得水熱復(fù)合電極。

四氯化碳復(fù)合法的電極制備過程為：將0.1 g的碳材料及0.2 g的硫材料相繼置于四氯化碳中，依然對材料進(jìn)行超聲處理，待硫單質(zhì)完全溶解于四氯化碳中后，將材料進(jìn)行復(fù)合處理最終可得溶劑熱復(fù)合電極。

3 復(fù)合方式對電化學(xué)性能的影響

為研究復(fù)合方式對鋰硫電池電化學(xué)性能的影響，分別研究得到了3種復(fù)合電極的首次充放電曲線、倍率性能和0.1C下的循環(huán)性能測試圖譜。

圖1為3種復(fù)合電極材料的首次充放電測試曲線，觀察圖1可得，3種復(fù)合方式的首次放電比容量從大到小依次為：熱復(fù)荷方式、溶劑熱復(fù)合方式和水熱復(fù)合方式。

圖1 首次充放電曲線

圖2為3種復(fù)合方式得到的電極材料的倍率性能，觀察圖2可得，熱復(fù)合方式所得電極材料的放電比容量高于其他兩種復(fù)合方式，并且當(dāng)倍率改變時，其放電比容量依然高于其他兩種復(fù)合方式，由此可以看出，熱復(fù)合方式具有良好的電化學(xué)性能。同時，隨著測試倍率的增大，溶劑熱復(fù)合電極的放電比容量逐步下降，但仍然高于水熱復(fù)合電極。由此可知，不同的復(fù)合方式會對復(fù)合電極的電化學(xué)性能產(chǎn)生不同的影響。

圖2 倍率性能

圖3為3種復(fù)合電極在0.1C下的循環(huán)性能測試圖譜，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，3種復(fù)合電極的放電比容量均呈現(xiàn)減小趨勢。同時，3種復(fù)合電極的放電比容量從大到小依次為：熱復(fù)合電極、溶劑熱復(fù)合電極和水熱復(fù)合電極。

圖3 0.1C下的循環(huán)性能

在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了復(fù)合電極材料的電化學(xué)性能。圖4為0.1C條件下100次循環(huán)測試的鋰硫電池在2.3 V下進(jìn)行了交流阻抗測試，圖4中3條曲線均由兩個半圓及一條斜線構(gòu)成，兩個半圓的大小分別與電池的界面阻抗及傳輸阻抗有關(guān)。觀察圖4可得，熱復(fù)合電極材料的界面阻抗和傳輸阻抗均小于其他兩種復(fù)合方式，這在一定程度上也說明了熱復(fù)合電極具有更好的電化學(xué)性能。

圖4 阻抗圖譜

4 結(jié) 論

鋰硫電池在儲能系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，為改善其電化學(xué)性能，常通過將硫單質(zhì)與碳材料進(jìn)行復(fù)合的方式增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性，因此，復(fù)合方式會對鋰硫電池的電化學(xué)性能造成影響?；诖?，本文首先介紹了鋰硫電池的結(jié)構(gòu)及其工作原理，然后分析了熱復(fù)合法、水熱復(fù)合法、四氯化碳溶劑熱復(fù)合法這3種復(fù)合方式對電化學(xué)性能的影響。