碳空心球_硫复合材料制备和电化学性能研究.pdf

第19卷第3期电化学Vol.19No.3
2013年6月JOURNALOFELECTROCHEMISTRYJun.2013

文章编号:1006-3471(2013)03-0195-04
碳空心球/硫复合材料制备和电化学性能研究

臧俊1，钱航1，曾尔曼2，付娟妮2，郑明森1，董全峰1*
(1.厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室，化学化工学院化学系，福建厦门361005;
2.厦门产业技术研究院，福建厦门，361001)

摘要：采用PMMA为模板制备碳空心球材料，并以碳空心球材料为导电骨架与硫材料复合制得碳空心球/硫复
合材料.SEM和TEM照片显示，硫材料能均匀地填充在碳空心球的孔道和腔体内部.采用恒电流充放电测试碳空
心球/硫复合电极的电化学性能.结果表明，在100mA·g-1、500mA·g-1、1A·g-1、2A·g-1和5A·g-1电流密度下，碳空
心球/硫复合电极可逆放电容量分别为1145mAh·g-1、824mAh·g-1、702mAh·g-1、586mAh·g-1和395mAh·g-1，呈现
出较优异的倍率循环寿命.
关键词：碳空心球；锂硫电池；复合材料
中图分类号：O646文献标识码：A

单质硫比容量高（1675mAh·g-1）、价格低廉，g间苯二酚溶于一定量的三次水中搅拌均匀，按摩
与金属锂负极构成的锂硫电池的理论比能量高达尔比1:2加入甲醛溶液，同时加入70mLPMMA
2600Wh·kg-1，目前被视为最高理论容量的二次电乳液，搅拌均匀后密封，将该物转入85oC烘箱恒
池体系[1-3].然而，硫材料极低的电子电导率、电化学温3d.取出块状固体置于管式炉中，在氮气保护下
活性以及多硫化物的穿梭效应，严重制约了锂硫电升温至800oC，恒温1h即得碳空心球材料.
池的商品化.改善硫材料电化学性能主要选取导电将质量比为1:3的空心球和升华硫放入称量
材料（如碳纳米管[4]、石墨烯[5]等）与硫材料复合，以瓶中置入烘箱，150oC恒温反应6h.将该反应样品
期提高其电子电导率[6-7].Nazar等[8]指出碳材料的用THF冲洗，即得碳空心球/硫复合材料.
孔结构对硫材料的电化学性能有较大影响.艾新平1.2形貌与物相分析
等[9]也发现介孔碳材料能有效地提高硫材料的电
使用S-4800场发射扫描电子显微镜（SEM，日
化学活性限制硫中间产物的流失球形化材料易
，.本日立公司）和JEM-2100200kV高分辨透射电镜
加工、压实密度高，因此锂离子电池材料多倾向选
（TEM，日本电子株式会社）观察材料的形貌.使用
用球形化材料.空心碳球有丰富的孔结构、高电导
Tristar3000型全自动比表面物理吸附仪（美国
率可控孔容和均匀的尺寸是制备球形化硫碳复
、，/公司测定下在材料的吸
Micromeritics）77KN2
合材料的理想骨架材料.
脱附曲线.
本文用模板法[10-12]制备碳空心球材料，将硫填
1.3电池的测试
充于壳壁及空腔内，得到高硫含量的硫碳复合材
按质量比8:1:1将碳空心球/硫复合材料、
料.空心碳球的结构可有效地保证材料的高容量，
SuperP和LA水性粘结剂调浆，均匀地涂在铝箔
又可提高其电子电导，降低硫的溶解和穿梭效应，
上，真空干燥8h，与金属锂片负极、1mol·L-1
以期改善电极的电化学性能.
体积比电解液和
实验LiPF6/EC+DMC+EMC（1:1:1）
1Celgard2400隔膜，在氮气气氛手套箱中组装成
1.1材料的制备CR2016型扣式电池.在新威测试仪上测试电池的
以PMMA为模板合成碳空心球.首先将1.375充放电，充放电电位区间1.5~3.0V（vs.Li/Li+）.碳

收稿日期：2012-10-12，修订日期：2013-01-23*通讯作者，Tel:[phone],E-mail:[e-mail]
国家自然科学基金项目（No.200933005，No.21021002）、973项目（No.2009CB220102）和厦门市纯电动汽车重大专项
（No.3502Z20121002）资助
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空心球/硫复合材料的容量仅以硫计.没有发生改变，尺寸亦没有明显变化，同时也不存
2结果与讨论在其它类型结构的硫.这一结果表明硫材料主要存
图给出了碳空心球的吸脱附等温曲线在于碳空心球结构内.为进一步了解硫材料在碳空
1N2
（A）和孔径分布曲线（B）.从图1看出，其吸脱附曲心球中的分布情况，又进行了碳空心球和碳空心球
线在较高的相对压力处呈现清晰的滞后环，表明碳/硫复合材料的TEM表征（见图2A′、2B′）.从图中
空心球有明显的介/微孔结构，所制备碳空心球的可以清晰地观察到碳空心球材料的空心结构，其碳
孔径