【摘 要】
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电动汽车、大型电网等领域的发展对储能系统的能量密度提出了更高的要求,锂硫电池由于其高的理论能量密度(2600 W h kg-1)以及单质硫的高天然丰度、低成本和无毒性等优势被认为是最有前途的新一代储能体系之一。然而硫正极中存在的一些问题如缓慢的转化动力学及有害的穿梭效应阻碍了锂硫电池的实际使用。为解决这些问题,本论文通过原位聚合策略制备了一种具有二维夹层结构的共轭微孔聚合物（CMP）接枝MXene
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电动汽车、大型电网等领域的发展对储能系统的能量密度提出了更高的要求,锂硫电池由于其高的理论能量密度(2600 W h kg-1)以及单质硫的高天然丰度、低成本和无毒性等优势被认为是最有前途的新一代储能体系之一。然而硫正极中存在的一些问题如缓慢的转化动力学及有害的穿梭效应阻碍了锂硫电池的实际使用。为解决这些问题,本论文通过原位聚合策略制备了一种具有二维夹层结构的共轭微孔聚合物（CMP）接枝MXene的复合物（CMP-M）,并将其用作正极硫载体,提高了锂硫电池的电化学性能。制备CMP-M时,首先使用一种无溶剂方法对MXene进行官能化;然后从CMP的分子设计角度出发,合成两种分别含三嗪及苯并噻吩单元的单体;最后通过Buchward-Hartwig偶联反应实现两种单体在官能化MXene表面的原位聚合,获得CMP共价接枝MXene的复合材料。与CMP相比,由CMP-M作为硫载体制备的锂硫电池表现出更加优异的性能,包括高放电比容量(0.1 C下的初始放电比容量为1402 m A h g-1),高倍率性能(4 C下比容量可达610.4 m A h g-1)以及出色的循环稳定性(0.5 C下循环1000圈后比容量为508 m A h g-1,平均每圈的衰减率为0.044%;2 C下循环1300圈后比容量仍达505 m A h g-1,平均每圈的衰减率为0.023%)。锂硫电池优异的性能与CMP-M独特的组成及结构特点密切相关:外侧的CMP层不仅具有相对较大的孔径,促进了硫的容纳,而且含有大量的N、S杂原子,为捕获多硫化物提供了丰富的化学吸附位点;内部的MXene层能够促进多硫化物到硫化锂的转化及锂离子的扩散,从而加快正极反应动力学,提高电池的比容量及倍率性能;共价接枝形成的二维夹层结构能够提高正极在长期充放电过程中的结构稳定性,从而避免正极的粉化,提高电池的循环性能。
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