碳硫復合工藝對鋰硫電池電化學性能的影響

代敦三

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著煤炭等不可再生資源的過度開采，我國的能源資源正呈現逐步衰減的趨勢，在此大環境下，可再生能源的開發成為了重中之重[1]。而以太陽能、風能為代表的可再生能源受外部環境影響較大，因此尋找清潔、高效的儲能系統顯得尤為重要[2]。

鋰硫電池在儲能系統中有著較大影響[3]。鋰硫電池以硫單質作為電池正極，以金屬鋰作為電池負極進行電池的組裝，具有穩定、質量小等優點[4]。但是由于充放電的穿梭效應及體積膨脹效應，鋰硫電池自身具有一定的局限性[5]。為此，目前常通過將硫單質與碳等其他材料進行復合的方式進而改善電極的電化學性能[6]。基于上述背景，本文研究了熱復合法、水熱復合法、四氯化碳溶劑熱復合法這3種復合方式對電化學性能的影響。

1 鋰硫電池的結構及其工作原理

鋰硫電池的工作原理是基于氧化還原反應，以硫單質作為電池的正極，以金屬鋰作為電池的負極[7]。當鋰硫電池放電時，負極的鋰電子Li+會向正極移動，然而與正極的硫發生化學反應進而形成硫化鋰。當鋰硫電池充電時，鋰離子會再次回到負極，硫化鋰中的硫離子再次還原為硫單質。鋰硫電池的充放電反應過程如下所示：

2 碳硫復合電極材料的制備

下面分別介紹碳硫熱復合法、水熱復合法、四氯化碳溶劑熱復合法這3種復合方式的電極制備流程。其中碳材料和硫材料分別選擇文獻[3-7]的PC-61碳材料和升華硫材料。

熱復合法的電極制備過程為：將0.1 g的碳材料與0.2 g的硫材料充分研磨，將研磨得到的粉末置于管式爐中，設置溫度為155 ℃，將碳硫兩種材料進行充分的熱復合。

水熱復合法的電極制備過程為：將0.1 g的碳材料及0.2 g的硫材料相繼置于蒸餾水中，然后對材料進行超聲分散處理后，設置溫度為155 ℃，再次進行復合處理最終可得水熱復合電極。

四氯化碳復合法的電極制備過程為：將0.1 g的碳材料及0.2 g的硫材料相繼置于四氯化碳中，依然對材料進行超聲處理，待硫單質完全溶解于四氯化碳中后，將材料進行復合處理最終可得溶劑熱復合電極。

3 復合方式對電化學性能的影響

為研究復合方式對鋰硫電池電化學性能的影響，分別研究得到了3種復合電極的首次充放電曲線、倍率性能和0.1C下的循環性能測試圖譜。

圖1為3種復合電極材料的首次充放電測試曲線，觀察圖1可得，3種復合方式的首次放電比容量從大到小依次為：熱復荷方式、溶劑熱復合方式和水熱復合方式。

圖1 首次充放電曲線

圖2為3種復合方式得到的電極材料的倍率性能，觀察圖2可得，熱復合方式所得電極材料的放電比容量高于其他兩種復合方式，并且當倍率改變時，其放電比容量依然高于其他兩種復合方式，由此可以看出，熱復合方式具有良好的電化學性能。同時，隨著測試倍率的增大，溶劑熱復合電極的放電比容量逐步下降，但仍然高于水熱復合電極。由此可知，不同的復合方式會對復合電極的電化學性能產生不同的影響。

圖2 倍率性能

圖3為3種復合電極在0.1C下的循環性能測試圖譜，隨著循環次數的增加，3種復合電極的放電比容量均呈現減小趨勢。同時，3種復合電極的放電比容量從大到小依次為：熱復合電極、溶劑熱復合電極和水熱復合電極。

圖3 0.1C下的循環性能

在上述研究的基礎上，進一步研究了復合電極材料的電化學性能。圖4為0.1C條件下100次循環測試的鋰硫電池在2.3 V下進行了交流阻抗測試，圖4中3條曲線均由兩個半圓及一條斜線構成，兩個半圓的大小分別與電池的界面阻抗及傳輸阻抗有關。觀察圖4可得，熱復合電極材料的界面阻抗和傳輸阻抗均小于其他兩種復合方式，這在一定程度上也說明了熱復合電極具有更好的電化學性能。

圖4 阻抗圖譜

4 結 論

鋰硫電池在儲能系統中發揮著重要作用，為改善其電化學性能，常通過將硫單質與碳材料進行復合的方式增強電極的導電性，因此，復合方式會對鋰硫電池的電化學性能造成影響。基于此，本文首先介紹了鋰硫電池的結構及其工作原理，然后分析了熱復合法、水熱復合法、四氯化碳溶劑熱復合法這3種復合方式對電化學性能的影響。