碳硫复合工艺对锂硫电池电化学性能的影响

代敦三

（湖北省电力装备有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引 言

随着煤炭等不可再生资源的过度开采，我国的能源资源正呈现逐步衰减的趋势，在此大环境下，可再生能源的开发成为了重中之重[1]。而以太阳能、风能为代表的可再生能源受外部环境影响较大，因此寻找清洁、高效的储能系统显得尤为重要[2]。

锂硫电池在储能系统中有着较大影响[3]。锂硫电池以硫单质作为电池正极，以金属锂作为电池负极进行电池的组装，具有稳定、质量小等优点[4]。但是由于充放电的穿梭效应及体积膨胀效应，锂硫电池自身具有一定的局限性[5]。为此，目前常通过将硫单质与碳等其他材料进行复合的方式进而改善电极的电化学性能[6]。基于上述背景，本文研究了热复合法、水热复合法、四氯化碳溶剂热复合法这3种复合方式对电化学性能的影响。

1 锂硫电池的结构及其工作原理

锂硫电池的工作原理是基于氧化还原反应，以硫单质作为电池的正极，以金属锂作为电池的负极[7]。当锂硫电池放电时，负极的锂电子Li+会向正极移动，然而与正极的硫发生化学反应进而形成硫化锂。当锂硫电池充电时，锂离子会再次回到负极，硫化锂中的硫离子再次还原为硫单质。锂硫电池的充放电反应过程如下所示：

2 碳硫复合电极材料的制备

下面分别介绍碳硫热复合法、水热复合法、四氯化碳溶剂热复合法这3种复合方式的电极制备流程。其中碳材料和硫材料分别选择文献[3-7]的PC-61碳材料和升华硫材料。

热复合法的电极制备过程为：将0.1 g的碳材料与0.2 g的硫材料充分研磨，将研磨得到的粉末置于管式炉中，设置温度为155 ℃，将碳硫两种材料进行充分的热复合。

水热复合法的电极制备过程为：将0.1 g的碳材料及0.2 g的硫材料相继置于蒸馏水中，然后对材料进行超声分散处理后，设置温度为155 ℃，再次进行复合处理最终可得水热复合电极。

四氯化碳复合法的电极制备过程为：将0.1 g的碳材料及0.2 g的硫材料相继置于四氯化碳中，依然对材料进行超声处理，待硫单质完全溶解于四氯化碳中后，将材料进行复合处理最终可得溶剂热复合电极。

3 复合方式对电化学性能的影响

为研究复合方式对锂硫电池电化学性能的影响，分别研究得到了3种复合电极的首次充放电曲线、倍率性能和0.1C下的循环性能测试图谱。

图1为3种复合电极材料的首次充放电测试曲线，观察图1可得，3种复合方式的首次放电比容量从大到小依次为：热复荷方式、溶剂热复合方式和水热复合方式。

图1 首次充放电曲线

图2为3种复合方式得到的电极材料的倍率性能，观察图2可得，热复合方式所得电极材料的放电比容量高于其他两种复合方式，并且当倍率改变时，其放电比容量依然高于其他两种复合方式，由此可以看出，热复合方式具有良好的电化学性能。同时，随着测试倍率的增大，溶剂热复合电极的放电比容量逐步下降，但仍然高于水热复合电极。由此可知，不同的复合方式会对复合电极的电化学性能产生不同的影响。

图2 倍率性能

图3为3种复合电极在0.1C下的循环性能测试图谱，随着循环次数的增加，3种复合电极的放电比容量均呈现减小趋势。同时，3种复合电极的放电比容量从大到小依次为：热复合电极、溶剂热复合电极和水热复合电极。

图3 0.1C下的循环性能

在上述研究的基础上，进一步研究了复合电极材料的电化学性能。图4为0.1C条件下100次循环测试的锂硫电池在2.3 V下进行了交流阻抗测试，图4中3条曲线均由两个半圆及一条斜线构成，两个半圆的大小分别与电池的界面阻抗及传输阻抗有关。观察图4可得，热复合电极材料的界面阻抗和传输阻抗均小于其他两种复合方式，这在一定程度上也说明了热复合电极具有更好的电化学性能。

图4 阻抗图谱

4 结 论

锂硫电池在储能系统中发挥着重要作用，为改善其电化学性能，常通过将硫单质与碳材料进行复合的方式增强电极的导电性，因此，复合方式会对锂硫电池的电化学性能造成影响。基于此，本文首先介绍了锂硫电池的结构及其工作原理，然后分析了热复合法、水热复合法、四氯化碳溶剂热复合法这3种复合方式对电化学性能的影响。