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锂-硫电池碳-硫复合材料制备及其电化学性能研究
摘要：
锂-硫电池作为一种新型高能量密度的二次电池，具有极大的应用潜力。然而，硫极活性材料的自解散、多孔结构、低电导率以及硫正极与锂负极的化学不相容性等问题，限制了锂-硫电池的应用发展。本文采用碳-硫复合材料作为硫极活性材料，综述了碳-硫制备方法及其电化学性能。结果表明，碳-硫复合材料具有较高的容量、较长的循环寿命和较良好的循环稳定性。这为锂-硫电池的应用提供了新的可能性。
关键词：锂-硫电池；碳-硫复合材料；制备方法；电化学性能
引言：
锂-硫电池由于具有高能量密度、低成本等特点，已成为目前研究的热点。锂-硫电池的正极活性物质是硫，其容量为1672mAh/g，远高于传统的锂离子电池。锂-硫电池的理论能量密度可达2600Wh/kg，是当前电池中能量密度最高的电池之一。然而，锂-硫电池的广泛应用还面临着许多挑战。
硫对空气和水的敏感性，在空气中易被氧化，并与水反应，生成硫酸，从而导致电池性能的下降。此外，锂-硫电池的电极材料也面临着循环性能不佳，容量退化严重，循环寿命短等问题。因此，如何制备出具有优异电化学性能的硫电极材料，成为锂-硫电池研究的核心问题。
近年来，研究人员采用碳-硫复合材料作为硫极活性材料，能够在一定程度上解决上述问题。碳材料具有高导电性和较好的化学惰性，能够提高硫的电导率和化学稳定性。因此，碳-硫材料能够显著提高锂-硫电池的性能。
制备方法：
制备碳-硫复合材料的方法主要有机械混合法、化学混合法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、水热法、溶胶-凝胶法等。其中，水热法是一种简单、低成本、易操作的方法，被广泛应用于碳-硫复合材料的合成。图1示出了用水热法合成碳-硫复合材料的示意图。
图1用水热法制备碳-硫复合材料的示意图
制备步骤如下：
（1）将硫粉末和碳源加入去离子水中，并搅拌均匀。
（2）将溶液放置于高压釜中，在180℃和4MPa的条件下反应12小时。
（3）冷却至室温后，将沉淀物洗涤干净，并在真空干燥箱中干燥24小时即得到碳-硫复合材料。
电化学性能：
碳-硫复合材料的电化学性能主要包括循环性能、容量和充放电效率等。下面介绍碳-硫复合材料的电化学性能研究进展。
循环性能：
循环性能是评估电极材料性能的重要指标之一。图2显示了不同碳-硫复合材料的循环性能曲线。
图2硫化锂与碳-硫复合材料循环性能曲线
从图2中可以看出，碳-硫复合材料在长循环次数下仍能保持较高的比容量和良好的稳定性。此外，碳-硫复合材料中的硫化锂在充放电过程中的可逆性也表现出较好的循环性能。
容量：
容量是衡量电极材料储能能力的重要指标之一。图3显示了碳-硫复合材料的容量曲线。
图3碳-硫复合材料的容量曲线
从图3可以看出，碳-硫复合材料的比容量较高，并且相对于纯硫电极，其容量减退速度较慢。由此可以得出，碳-硫复合材料具有较好的电化学储能性能。
充放电效率：
充放电效率是评估电池能量转换效率的指标之一。充放电失效率主要由于电极材料的损失和溶液中的氧化还原反应。图4显示了不同碳-硫复合材料的充放电效率。
图4碳-硫复合材料的充放电效率
从图4中可以看出，碳-硫复合材料具有较好的充放电效率，其充放电效率可以达到90%以上。
结论：
本文综述了碳-硫复合材料的制备方法及电化学性能，结果表明，碳-硫复合材料具有优异的电化学性能，并且在锂-硫电池中得到了广泛应用。然而，碳-硫复合材料的应用仍存在着许多问题，如循环性能、容量和充放电效率等方面需要进一步研究。相信在不久的将来，碳-硫复合材料将成为锂-硫电池最有潜力的活性材料。