氮掺杂有序介孔碳/硫作为锂硫电池正极材料的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

最近几年，由于绿色交通和大规模的能源存储行业对于先进能源存储技术的迫切需求，锂硫电池技术被人们重新大力研究^[1]。锂硫电池是正在开发的二次电池体系中具有最高能量密度的一种，采用单质硫或含硫材料作为正极活性物质，其理论能量密度达到2600whkg^-1，且单质硫正极的理论比容量达到1672mahg^-1，具有无毒无害，储量多，产量大和价格低廉等优势，在近年来高能量密度二次电池领域中成为研究热点和重点之一^{[2, 3]}。不同于锂离子电池利用锂离子在正负极材料间的嵌入和脱出为反应机理的这种单电子储能原理，锂硫电池在充放电过程中则是涉及到硫硫键断裂与形成的多电子参与的多步电化学反应，这是一个包含了一系列均相化学反应和电荷转移反应的复杂过程^[4]。但单质硫的电导率在室温下极低（5.0×10^-30scm^-1），并且锂硫电池放电过程的中间产物多硫化物会在有机电解液中溶解发生迁移和穿梭效应，其放电终产物电子绝缘且不溶于电解液，以及硫和硫化锂因为密度差异较大产生的体积效应（前后体积变化约80%）等^{[3, 5]}，都会使得锂硫电池的活性物质利用率和循环性能以及正极结构的稳定性等受到很大的影响，进而在很大程度上限制了其在相关领域里的进一步发展与应用。

碳材料具有比表面积大、导电性优良、导热性能好、丰富的孔结构、制备工艺简单以及价格低廉等优点。近年来，研究最多的是以导电碳材料作为硫的载体以及导电骨架的硫碳复合正极材料，通过调控碳材料的结构来制备具有不同结构的复合材料以改善锂硫电池的相关性能^[6]。在众多碳材料中，介孔碳具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和孔容、规则排列的孔结构、良好的热稳定性、化学稳定性和优良的吸附性能，能够使物质在其孔隙内吸附并进行反应，同时能够保持自身物理化学稳定性等^[7]而成为优先选用的正极材料。介孔储硫的主要优势在于其可以明显提高硫的负载量,发挥锂硫电池高能量密度的优势,而且其相比与大孔材料,也能较好的对多硫化物进行限域^[3]。nazar等^[2]在2009 年提出用介孔碳储硫是碳硫复合正极领域的引领性工作。将硫放置到规则的介孔碳孔道中，有序介孔碳内部提供了大量的电解液和多硫化物储存位点,既能够满足锂离子快速传递的要求,也限制了多硫化物的向外溶解,其本身性质造成碳硫复合物优异的高倍率性能和长循环稳定性,而通过高分子包覆介孔碳颗粒可以形成多硫化物的扩散梯度,控制多硫化物从多孔碳孔道向电解液体相的扩散,从而提高了硫的利用效率和稳定性^[1]。

目前，介孔碳的合成方法主要有硬模板法和软模板法。最早由ryoo等^[8]报道的介孔碳材料便是以mcm-48为硬模板合成出来的。硬模板法又称纳米刻蚀法，其合成可概括为四个主要的合成步骤，分别是模板的合成、前躯体的装载、前躯体的转化以及模板的脱除^[9]。硬模板法制备出来的材料稳定性好、有序度高、导电性能优良，制作方法简单，通过调节模板的结构或者是有机碳源的量可以得到微观结构不同的介孔碳材料，它有很多其他方法无法代替的优点。但是也有一些不可避免的问题如：制备步骤繁琐、需要额外合成模板、模板去除需使用浓naoh或者hf，不利于环境保护等^[10]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容：

以3-胺基苯酚和六次甲基四胺为前驱体，采用有机-有机自组装法合成氮掺杂有序介孔碳材料，并通过氨气活化法对材料的孔结构和氮含量进行调控，重点优化活化条件获得高比表面积、大孔容和高氮含量的介孔碳材料。通过熔融-分散法制备介孔碳/硫复合材料，并对其作为锂硫电池正极材料的电化学性能进行评价。

2.2技术方案：

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献，完成开题报告。

第4-7周：完成介孔碳材料的合成、活化和大部分结构表征工作。

第8-12周：完成介孔碳/硫复合材料的电化学性能测试和评价工作。

4. 参考文献（12篇以上）

1. lv, d. p.; zheng, j. m.; li, q. y.; xie, x.; ferrara, s.; nie, z. m.; mehdi, l. b.; browning, n. d.; zhang, j. g.; graff, g. l.; liu, j.; xiao, j., high energy density lithium-sulfur batteries: challenges of thick sulfur cathodes[j]. advanced energy materials. 2015, 5, (16).

2. ji, x.; lee, k. t.; nazar, l. f., a highly ordered nanostructured carbon-sulphur cathode for lithium-sulphur batteries[j]. nature materials. 2009, 8, (6), 500-506.

3. 张 强, 程新兵, 黄佳琦, 彭翃杰, 魏 飞, 碳质材料在锂硫电池中的应用研究进展[j]. 新型炭材料. 2014, 29, (4), 241-264.