Fe2C和氮共摻雜的具有有序孔道結(jié)構(gòu)碳膜用于鋰硫電池正極

那天成，李祥村，郭嬌，劉思遠(yuǎn)，楊宏杰，姜賀龍，姜福林，賀高紅

（大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，膜科學(xué)與技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，遼寧大連116024）

引 言

鋰硫電池因具有較高的理論能量密度(2600 W·h·kg-1)和理論比容量(1675 mA·h·g-1)，以及環(huán)境友好、低成本、硫礦儲(chǔ)量豐富等優(yōu)勢(shì)，使其成為最有希望的下一代可充電電池系統(tǒng)，得到廣泛研究[1-3]。然而，硫和放電終端產(chǎn)物(Li2S 和Li2S2)的導(dǎo)電性差、放電過(guò)程中的體積膨脹效應(yīng)、放電中生成的可溶性中間產(chǎn)物多硫化鋰(LiPSs)的反向擴(kuò)散造成“穿梭效應(yīng)”，傳統(tǒng)鋁箔集流體的穩(wěn)定性等問(wèn)題[4-7]，以及負(fù)極中鋰枝晶的問(wèn)題等[8-9]，導(dǎo)致其容量下降循環(huán)性能變差，成為制約鋰硫電池進(jìn)一步發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用的重要原因。

構(gòu)建具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的納米或納米多孔碳材料，以利用其較好的導(dǎo)電性、較大的比表面積和可調(diào)的多孔結(jié)構(gòu)，是改善導(dǎo)電性差、緩解體積效應(yīng)常用的方法，如一維的碳納米管(CNTs)或碳納米線(CNFs)[10-12]、二維的石墨烯或碳納米片[13-15]、三維多孔碳材料[16-18]等。但這類材料的非極性表面與極性的多硫物相互作用較弱，當(dāng)增大載硫量時(shí)將面臨LiPSs溶解損失和容量快速衰減的問(wèn)題。為了抑制“穿梭效應(yīng)”造成的硫利用率低和容量衰減問(wèn)題，引入具有吸附或催化能力的活性物質(zhì)是一種有效策略。如金屬氧化物[19-20]、金屬硫化物[21-23]等，但這些物質(zhì)較差的導(dǎo)電性不利于電子傳導(dǎo)，限制了LiPSs 在活性組分表面的轉(zhuǎn)化，并造成其在表面的過(guò)量殘留[24]。與吸附弱的非極性碳材料和導(dǎo)電性差的極性活性物質(zhì)相比，金屬碳化物[25-27]、氮化物[28]、磷化物[29]等具有較好導(dǎo)電性，并對(duì)LiPSs 具有較好的化學(xué)吸附能力，可提供反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)，同時(shí)良好的電子傳遞可有效催化其向放電終端產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，減緩“穿梭效應(yīng)”。通過(guò)構(gòu)筑具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的復(fù)合碳材料一體化電極[24,30]，可以綜合發(fā)揮各材料的協(xié)同促進(jìn)作用，有效提升電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電池壽命。

本研究采用定向冷凍制膜方法，在定向的溫度梯度作用下，以結(jié)晶的溶劑為模板制備具有定向直通孔和相連通微孔結(jié)構(gòu)的膜材料，所選擇的聚丙烯腈材料和添加的Fe3O4經(jīng)碳化處理成功制備出Fe2C復(fù)合氮摻雜碳膜。該材料具有的規(guī)則導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可有效緩解相關(guān)組分的導(dǎo)電性差問(wèn)題；連通的孔道結(jié)構(gòu)，既有助于緩解充放電過(guò)程的體積效應(yīng)，同時(shí)也有利于鋰離子的快速擴(kuò)散；活性組分Fe2C 的存在，對(duì)LiPSs 的化學(xué)吸附作用和催化促進(jìn)其向放電終端產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，可有效地抑制“穿梭效應(yīng)”。載硫后作為鋰硫電池的一體化正極，其比容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性得到顯著提升，即使在較高電流密度或載硫量下，仍具有較好的電池性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料及自制設(shè)備

FeCl3?6H2O(Aladdin,AR)，乙二醇(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,AR)，無(wú)水CH3COONa(天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠, AR)，無(wú)水乙醇(天津市富宇精細(xì)化工有限公司，AR)，二甲基亞砜(DMSO，天津市富宇精細(xì)化工有限公司，AR)，聚丙烯腈(PAN，Mw=40000，Aladdin，AR)，導(dǎo)電炭黑(Super-P，瑞士特密高石墨有限公司)，升華硫(Aladdin, AR)，聚偏氟乙烯(PVDF，上海松靜新能源科技有限公司，AR)，N-甲基吡咯烷酮(NMP，天津市大茂化學(xué)試劑廠，AR)

自制設(shè)備有不銹鋼鑄膜槽(Φ130 mm)和定向冷凍裝置，自下而上由水平臺(tái)、保溫槽(盛放液氮)、銅柱、玻璃蓋及漏斗組成。

1.2 材料的合成與制備

1.2.1 Fe3O4微球的合成 根據(jù)文獻(xiàn)[31]采用熱溶劑法合成Fe3O4微球。首先，取4.32 g FeCl3?6H2O 溶解于80 ml 乙二醇溶劑中，磁力攪拌0.5 h 后得到黃色透明溶液；再加入9.18 g 無(wú)水CH3COONa，攪拌1.0 h后，轉(zhuǎn)移至具有100 ml 容積聚四氟乙烯內(nèi)膽的不銹鋼高壓反應(yīng)釜；然后，200℃下反應(yīng)8 h，自然冷卻至室溫。用無(wú)水乙醇清洗3次得到Fe3O4微球備用。

1.2.2 Fe3O4/PAN 定向多孔復(fù)合膜的制備 采用定向冷凍法制備Fe3O4/PAN 定向多孔復(fù)合膜，鑄膜液組成為10%(質(zhì)量)的PAN 的DMSO 溶液，并加入為純PAN 質(zhì)量10%的Fe3O4微球。首先，取0.3 g Fe3O4超聲1 h 均勻分散于27 g DMSO 溶劑中；再加入3 g PAN后，60℃下機(jī)械攪拌過(guò)夜；得到的鑄膜液在60℃下超聲1 h 以去除氣泡；然后，取8 ml 上述膜液轉(zhuǎn)移至自制的不銹鋼鑄膜槽中，流延成型后將鑄膜槽放置于銅柱上約2 min 定向冷凍成型；最后，將其放入冷凍干燥機(jī)中，在-10～0℃下冷凍干燥4 d 以去除DMSO 溶劑，得到Fe3O4/PAN 定向多孔復(fù)合膜后，在60℃下置于真空烘箱中熱處理，以去除可能凝結(jié)在膜上的水和殘余溶劑，并消除應(yīng)力使膜平整。用于對(duì)照的純PAN 定向多孔膜制備方法同前述，除去Fe3O4分散步驟。

1.2.3 Fe2C/N-C 定向多孔復(fù)合膜的制備 先將上述復(fù)合膜置于馬弗爐中預(yù)氧化，在空氣氣氛中以2℃·min-1的升溫速率升溫到250℃并保持2 h；然后，在管式爐中將膜碳化，在氬氣氛中以5℃·min-1的升溫速率升溫到700℃并保持2 h，最終得到復(fù)合Fe2C的氮摻雜碳(記為Fe2C/N-C)膜。將得到的預(yù)氧化膜材料切成直徑為14 mm的圓片用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)制備電極片，其每片面積約為1.54 cm2。用于對(duì)照的氮摻雜碳(記為N-C)膜制備及處理方式同前述。

1.2.4 Fe2C/N-C/S 正極的制備 (1) 碳硫復(fù)合物預(yù)處理：按照C∶S 質(zhì)量比為1∶2 的用量稱取導(dǎo)電炭黑和升華硫，研磨混合均勻后，置于氬氣氛下155℃熱處理12 h，得到碳硫復(fù)合物，并通過(guò)熱重方法測(cè)得實(shí)際硫含量。(2) 配制涂硫漿料：稱取10 mg PVDF 溶解于400 μl NMP 中，磁力攪拌1 h 后，再加入90 mg上述碳硫復(fù)合物和300 μl NMP，繼續(xù)攪拌12 h。(3)電極片載硫：根據(jù)載硫量用移液槍取一定量涂硫漿料，均勻涂于上述碳膜片上，并于60℃真空烘箱中干燥12 h。通過(guò)差量法計(jì)算每片電極片的實(shí)際載硫量，本實(shí)驗(yàn)制備的電極片載硫量在1.1～3.9 mg·cm-2。圖1 顯示了制膜過(guò)程及定向多孔復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)示意圖，同時(shí)也展示了Fe3O4/PAN 原膜、預(yù)氧化膜、碳化膜片實(shí)物圖。

1.3 材料的表征方法

材料中硫含量等分析，采用熱重分析儀(TGA，TA Instruments Q50，深圳市柏瑞儀有限公司)；對(duì)膜表面及斷面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)表征，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM，Nova Nano 450，美國(guó)FEI 公司)；對(duì)材料組成等表征，采用X 射線衍射儀(XRD，D/MAX-2400,CuKα, λ = 0.15406 nm，日本島津公司)；對(duì)材料石墨化程度分析，采用拉曼光譜儀(Invia，雷尼紹公共有限公司)；對(duì)材料中主要成分的形態(tài)分析，采用X 射線光電子能譜儀(XPS，ESCALAB 250Xi，賽默飛世爾科技公司)。

1.4 電化學(xué)性能的測(cè)試

1.4.1 鋰硫電池的裝備 采用CR2025型紐扣電池，以Fe2C/N-C/S 或N-C/S 為正極材料、純鋰片(規(guī)格為φ16 mm×0.6 mm)為負(fù)極材料，采用聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)三層復(fù)合隔膜(Celgard2325)為中間隔膜，電解液采用1 mol·L-1雙三氟甲基磺酰亞胺鋰(LiN(CF3SO2)2，LiTFSI)的1,2-二甲氧基乙烷(DME)和1,3-二氧戊環(huán)(DOL)為混合溶劑的溶液，DME和DOL體積比為1∶1，并加入1%(質(zhì)量)的硝酸鋰，電池電解液用量為70 μl，相應(yīng)E/S 比為58.3～17.1 μl/mg、N/P 比為123.7～36.2，在高純度氬氣手套箱中進(jìn)行電池組裝，靜置12 h后測(cè)試其電化學(xué)性能。

1.4.2 電化學(xué)性能測(cè)試儀器及條件 采用恒流充放電測(cè)試，所用儀器為武漢藍(lán)電測(cè)試系統(tǒng)(型號(hào)為CT200A)，控制電流密度為0.2、1 C 進(jìn)行循環(huán)性能測(cè)試，倍率性能測(cè)試電流密度控制在0.1、0.2、0.5、1、2 C下進(jìn)行測(cè)試，其中1 C=1675 mA·g-1，控制電壓測(cè)試范圍在1.7～2.8 V 內(nèi)。循環(huán)伏安(CV)測(cè)試和電化學(xué)阻抗(EIS)測(cè)試所用儀器為荷蘭Ivium 電化學(xué)工作站(型號(hào)為CHI660E)，CV 測(cè)試掃速為0.05、0.10、0.15 mV·s-1、電壓1.7～2.8 V，阻抗分析測(cè)試頻率范圍為100 kHz～10 mHz。

圖1 定向冷凍制膜流程和膜結(jié)構(gòu)示意圖及Fe3O4/PAN定向多孔復(fù)合膜、預(yù)氧化膜、碳化膜片實(shí)物圖Fig.1 Schematic of the process of the membrane prepared by directional freezing method and the structure of membrane,the photographs of the Fe3O4/PAN directional porous composite membrane,and the membranes after pre-oxidation and carbonization

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Fe2C/N-C定向多孔復(fù)合膜的表征

2.1.1 Fe2C/N-C 膜的XRD 及拉曼光譜表征 Fe3O4微球與Fe3O4/PAN 復(fù)合膜的XRD 譜圖如圖2(a)所示，均在30.1°、35.4°、43.1°、56.9°和62.5°等處有明顯的特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)Fe3O4譜圖(PDF#19-0629)的(2 2 0)、(3 1 1)、(4 0 0)、(5 1 1)、(4 4 0)晶面，表明Fe3O4在復(fù)合膜中的摻雜。復(fù)合膜經(jīng)碳化后其XRD 譜圖如圖2(b)，其在37.7°、41.5°、43.2°等處的特征衍射峰對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)Fe2C 譜圖的(1 0 0)、(0 0 2)、(1 0 1)晶面，表明經(jīng)碳化后摻雜的Fe3O4被還原為Fe2C。Fe2C/N-C 復(fù)合膜在20°～30°左右的寬峰主要來(lái)自于無(wú)定形碳的衍射峰。此外，兩種碳膜的拉曼光譜圖顯示出材料石墨化程度，1300 cm-1和1580 cm-1分別是無(wú)序碳和石墨化碳的特征峰，從圖3 可以看出Fe2C/N-C 膜的ID/IG為0.87，而N-C 膜的ID/IG為0.85，表明活性成分的摻雜有利于碳化過(guò)程中形成石墨化碳，進(jìn)而增加電極的導(dǎo)電性。

圖2 PAN膜、Fe3O4/PAN復(fù)合膜、Fe3O4微球及Fe2C/N-C、N-C膜的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of the PAN membrane,Fe3O4/PAN composite membrane,Fe3O4 microspheres and Fe2C/N-C,N-C membranes

圖3 N-C和Fe2C/N-C膜的拉曼圖Fig.3 Raman shift of N-C and Fe2C/N-C membranes

2.1.2 Fe2C/N-C 膜的微觀形貌表征 圖4(a)依次為Fe3O4/PAN 原膜、預(yù)氧化Fe3O4/PAN 膜、Fe2C/N-C 膜的上表面、下表面及斷面SEM 圖，根據(jù)定向冷凍制膜的原理，溶劑在低溫作用下于下表面生成細(xì)小溶劑結(jié)晶，并以此為結(jié)晶位點(diǎn)在溫度梯度的作用下，從下部向上結(jié)晶生長(zhǎng)至上表面直至溶劑全部結(jié)晶為止，在冷凍干燥去除溶劑后，以結(jié)晶溶劑為模板形成多孔膜結(jié)構(gòu)。圖4(b)為Fe2C/N-C膜表面和斷面的局部放大圖，從下表面處的細(xì)小孔道向上形成定向的直通孔道直至上表面，并在孔道側(cè)面形成相連通的微孔道，該形如“魚(yú)骨”狀的結(jié)構(gòu)既有利于硫的負(fù)載，緩解充放電過(guò)程的體積效應(yīng)，又有利于鋰離子向內(nèi)部的擴(kuò)散；其中，上表面圖中的顆粒和斷面局部放大圖虛線圈中的顆粒為摻雜的Fe3O4碳化后形成Fe2C 微球，再結(jié)合圖4(c)元素分布可發(fā)現(xiàn)Fe2C較為均勻地分散于膜的體相中，在電池循環(huán)中既對(duì)多硫化鋰有吸附作用，也可促進(jìn)長(zhǎng)鏈多硫化鋰向放電終端產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化；此外，膜的下表面經(jīng)預(yù)氧化、碳化后變得較為致密可替代傳統(tǒng)集流體起到匯集電流作用，加之連續(xù)的氮摻雜碳材料孔道壁具有良好導(dǎo)電性，可大大緩解硫及放電終產(chǎn)物導(dǎo)電性差的問(wèn)題。

2.1.3 Fe2C/N-C/S 電極循環(huán)后的XPS表征 為進(jìn)一步論證Fe2C/N-C 對(duì)多硫化鋰(LiPSs)的吸附作用，對(duì)循環(huán)后放電至1.7 V 的N-C/S 和Fe2C/N-C/S 電極S 2p的X射線光電子能譜圖進(jìn)行分析。從圖5中可發(fā)現(xiàn)，每種不同環(huán)境的硫都會(huì)出現(xiàn)因能級(jí)分裂而產(chǎn)生的2p1/2 和2p 2/3 峰，其中，166～170 eV 處的峰可歸于制樣過(guò)程中氧化產(chǎn)生的硫酸鹽和高氧化態(tài)的，約161～163 eV 處的藍(lán)、綠色峰為長(zhǎng)鏈LiPSs和短鏈Li2S、，對(duì)比發(fā)現(xiàn)Fe2C/N-C/S 電極循環(huán)后生成了更多長(zhǎng)鏈或短鏈LiPSs，說(shuō)明Fe2C 對(duì)放電過(guò)程硫向長(zhǎng)鏈LiPSs、LiPSs 向放電終產(chǎn)物L(fēng)i2S 和Li2S2的轉(zhuǎn)化具有一定催化促進(jìn)作用；此外，162.7 eV處的Fe-S鍵說(shuō)明Fe2C的加入對(duì)LiPSs的吸附作用。

2.2 電化學(xué)性能測(cè)試

2.2.1 電池的CV及充放電曲線 圖6顯示了Fe2C/NC/S和N-C/S電極在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線，載硫量分別為1.2、1.1 mg·cm-2，兩個(gè)電極均顯示了典型的兩個(gè)還原峰和一個(gè)氧化峰，在Fe2C/N-C/S系列曲線上，約2.33～2.31 V和2.03～2.00 V的還原峰分別對(duì)應(yīng)硫向長(zhǎng)鏈LiPSs和長(zhǎng)鏈LiPSs向短鏈LiPSs的轉(zhuǎn)化。此外，各掃描速率下Fe2C/N-C/S電極的放電峰和充電峰均比N-C/S更高，說(shuō)明Fe2C的加入可提高電極氧化還原反應(yīng)的活性，提高活性物質(zhì)的利用率，有效緩解穿梭效應(yīng)帶來(lái)的容量衰減。

圖7 是Fe2C/N-C/S 和N-C/S 電 極 在0.2 C 和1.0 C 下循環(huán)20 圈的充放電曲線(前者載硫量分別為2.6、1.1 mg·cm-2，后者載硫量分別為2.3、1.8 mg·cm-2)，在放電曲線上可以看到兩個(gè)典型的放電平臺(tái)。較低電壓的放電平臺(tái)對(duì)應(yīng)長(zhǎng)鏈LiPSs 向短鏈LiPSs 的轉(zhuǎn)化，是電池容量的主要來(lái)源，F(xiàn)e2C 的加入明顯延長(zhǎng)該平臺(tái)說(shuō)明其對(duì)長(zhǎng)鏈LiPSs 向短鏈LiPSs轉(zhuǎn)化的促進(jìn)。此外，在0.2 C下Fe2C/N-C/S的過(guò)電位ΔE 為243.9 mV，低于N-C/S 的ΔE(266.0 mV)，表明Fe2C 的存在增加了多硫化鋰的氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率，有效減緩電極的極化效應(yīng)。

圖4 膜材料SEM圖及元素分布Fig.4 SEM and EDX elemental mapping images of membranes

圖5 循環(huán)后放電狀態(tài)下N-C/S和Fe2C/N-C/S電極的S 2p XPS譜圖Fig.5 S 2p XPS spectrum of N-C/S and Fe2C/N-C/S membrane as cathode in discharged state

圖6 Fe2C/N-C/S和N-C/S電極在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線Fig.6 CV curves of Fe2C/N-C/S and N-C/S membrane electrodes at different scanning rates

圖7 Fe2C/N-C/S和N-C/S電極在0.2 C和1.0 C下的充放電曲線Fig.7 The charge-discharge curves of Fe2C/N-C/S and N-C/S membrane cathodes at 0.2 C and 1.0 C

2.2.2 電池的循環(huán)性能及倍率性能 圖8(a)為Fe2C/N-C/S 和N-C/S 電極在0.2 C 和1.0 C 下的循環(huán)性能(載硫量同圖7中相應(yīng)電極片)，均表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能，可見(jiàn)該孔道結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳膜有助于電池性能的穩(wěn)定。Fe2C/N-C/S 電極在初始0.1 C 下活化過(guò)程放電比容量最高可達(dá)1386.3 mA·h·g-1，在0.2 C下循環(huán)首圈比容量為959.8 mA·h·g-1，循環(huán)100 圈后庫(kù)侖效率可達(dá)96.3%，比容量仍保持在834.6 mA·h·g-1，每圈容量衰減率為0.14%；提高電流密度在1.0 C下首圈為849.7 mA·h·g-1，循環(huán)100 圈后庫(kù)侖效率可達(dá)99.3%，比容量為833.0 mA·h·g-1，每圈容量衰減率低至0.02%，性能均優(yōu)于N-C/S 電極。在0.2 C 下對(duì)Fe2C/N-C/S 電極增加載硫量至3.1 mg·cm-2和3.8 mg·cm-2，循環(huán)100 圈后比容量分別為813.8 mA·h·g-1和714.3 mA·h·g-1，如圖8(b)所示。載硫量增加至3.9 mg·cm-2，在0.5 C 下 循 環(huán)200 圈 后 仍 有572.6 mA·h·g-1的比容量、庫(kù)侖效率可達(dá)96.3%，每圈容量衰減率為0.01%?？梢?jiàn)Fe2C的摻雜可有效緩解穿梭效應(yīng)，提升電池性能。

圖9 顯示了各電極的倍率性能，對(duì)Fe2C/N-C/S電極載硫量為1.3 mg·cm-2，在0.1、0.2、0.5、1.0 和2.0 C下的平均比容量分別為1122.1、880.2、793.4、731.8和662.1 mA·h·g-1，當(dāng)電流密度回到0.1 C 時(shí)比容量可回至855.8 mA·h·g-1，表現(xiàn)出優(yōu)越的倍率性能(NC電極載硫量為1.4 mg·cm-2)。

2.2.3 電池的EIS 曲線及擬合電路 采用電化學(xué)阻抗對(duì)Fe2C/N-C/S 和N-C/S 電極(載硫量同CV 測(cè)試電極)進(jìn)行阻抗分析，從圖10的Nyguist曲線中可發(fā)現(xiàn)，兩種電極的阻抗譜圖均由高頻區(qū)的半圓弧和低頻區(qū)的直線組成，前者代表法拉第電子傳遞電阻，后者代表與反應(yīng)物擴(kuò)散相關(guān)的韋伯阻抗。從半圓弧可以得出，F(xiàn)e2C/N-C/S 電極的法拉第電阻低于N-C/S 電極，并且兩者在低頻區(qū)的直線斜率相近且有較高的斜率，說(shuō)明該具有“魚(yú)骨”狀連通孔道的膜結(jié)構(gòu)，有利于電解液的滲透和鋰離子的擴(kuò)散，進(jìn)而有利于緩解穿梭效應(yīng)。

圖8 Fe2C/N-C/S和N-C/S電極在不同電流密度、不同載硫量下的循環(huán)性能Fig.8 Cycling performance of Fe2C/N-C/S and N-C/S membrane cathodes at different current densities with different sulfur loadings

圖9 Fe2C/N-C/S和N-C/S電極的倍率性能Fig.9 Rate performance of Fe2C/N-C/S and N-C/S membrane cathodes

3 結(jié) 論

圖10 Fe2C/N-C/S和N-C/S電極電池的交流阻抗曲線和擬合電路Fig.10 EIS curves and the fitting curves of the cells with Fe2C/N-C/S and N-C/S membrane cathodes with the equivalent fitting circuit inside

本文通過(guò)定向冷凍法以結(jié)晶溶劑為模板，制備出Fe3O4/PAN 復(fù)合膜，經(jīng)預(yù)氧化、碳化后，得到具有“魚(yú)骨”狀連通多孔結(jié)構(gòu)的Fe2C 復(fù)合氮摻雜碳膜，并對(duì)其組成及結(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，得出如下結(jié)論。

（1）通過(guò)XRD、拉曼光譜和SEM 對(duì)Fe2C/N-C 和N-C 膜進(jìn)行表征，表明成功制備具有定向直通孔和連通微孔結(jié)構(gòu)的膜材料，添加的活性組分Fe2C 均勻分布于膜體相中，而且氮的摻雜和較高的石墨化程度，使其成為具有規(guī)則導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并兼具連通離子擴(kuò)散通道的復(fù)合膜材料。

（2）通過(guò)對(duì)循環(huán)后Fe2C/N-C/S 和N-C/S 電極進(jìn)行XPS 表征，表明Fe2C 對(duì)LiPSs 具有化學(xué)吸附作用，以及其對(duì)LiPSs 向放電終產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的有效催化作用。

（3）具有“魚(yú)骨”狀連通多孔結(jié)構(gòu)和活性Fe2C 復(fù)合的膜材料，其電子的良好傳導(dǎo)和離子的快速擴(kuò)散發(fā)揮協(xié)同促進(jìn)作用，有效提升氧化還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)速率，抑制“穿梭效應(yīng)”提高電池的綜合性能，在1.0 C 下循環(huán)100 圈后得到833.0 mA·h·g-1的比容量、99.3%的庫(kù)侖效率、每圈容量衰減率低至0.02%，即使在0.2 C 較高載硫量3.8 mg·cm-2下，循環(huán)100 圈仍能取得714.3 mA·h·g-1，提高了硫利用率。