锂硫电池以硫为正极时,其理论比容量为1672 mAh/g,但是以硫为正极制备的锂硫电池目前仍存在很多问题,如硫的绝缘性,硫在充放电过程中的体积膨胀和多硫离子的穿梭效应以及锂枝晶的产生。而以硫化锂为正极时,其理论比容量为1166 mAh/g,由于硫化锂自带锂源,缓解了以硫为正极时电池充放电过程中的体积膨胀和产生锂枝晶的问题,被认为是最具前景的下一代二次电池。但以硫化锂为正极时仍存在导电性差和多硫离子穿梭的问题。

本论文在国内外研究的基础上,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、硫化锂为原料,采用溶解、重结晶以及高温碳化的方法制备Li_2S/C复合材料,并详细的研究了不同条件对Li_2S/C复合材料电化学性能的影响。由于以PVP和硫化锂为原料受反应环境的限制,所以以硫酸锂为原料、PVP为碳源碳化还原硫酸锂制备Li_2S/C复合材料并探讨了三嵌段共聚物F127(聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO))的加入对Li_2S/C复合材料电化学性能的影响。本论文主要包括以下几个部分:(1)采用PVP为碳源制备Li_2S/C复合材料,并详细研究了不同质量比、不同蒸发温度和不同碳化温度对Li_2S/C复合材料形貌、结构及电化学性能的影响。研究发现当mpvp:mLi_2S=1:1,蒸发温度为150℃,碳化温度为900℃时,制备的Li_2S/C复合材料粉末颗粒较小且均匀,且具有最优的电化学性能。在0.05 C电流密度下其首次放电比容量达到了1024.8 mAh/g,100圈循环后其比容量为500.3 mAh/g,容量保持率为48.8%。(2)采用硫酸锂、PVP为原料,通过混溶和冷冻干燥的方法制备Li2SO4/PVP复合材料,并在800℃高温碳化还原制备Li_2S/C复合材料,研究了不同PVP含量对电池电化学性能的影响。Li_2S/C复合材料的碳含量与PVP的加入量成正相关的关系。适当的碳含量可以提高材料的电子导电率并改善材料的电化学性能,但是碳含量过高会在一定程度上阻碍锂离子的扩散,增大电子传输路径,增加其在充放电过程中的极化,影响电池的放电比容量。

而当mPVP:mLi2SO4=2.8:1时,硫化锂含量为81.2%,在0.05 C电流密度下,样品正极表现出了较高的电化学性能,其首次放电比容量为773.7 mAh/g,100次循环后,放电比容量为478.6 mAh/g,容量保持率为61.86%。(3)以三嵌段聚合物F127为有机结构导向剂,PVP作碳源前驱体,与硫酸锂混溶并冷冻干燥制备Li2SO4/PVP/F127复合材料,再通过高温碳化还原制备Li_2S/C复合材料。加入F127后,Li_2S/C复合材料颗粒尺寸减小,而且在复合材料中存在少量的介孔,这对当mPVP:mLi2SO4:mF127=2.8:1:0.75时,Li_2S/C复合材料颗粒尺寸在200 nm左右,比表面积为15.2 m2/g。组装电池进行电化学性能测试,此时其在0.05 C电流密度下首次放电比容量为988.7 mAh/g,循环100圈后,容量为634.1 mAh/g,容量保持率为64.13%。综上所述,本实验主要以PVP为碳源,利用不同方法制备了两种Li_2S/C复合材料,并使用凤谷连续金属回转窑烧结，并将其运用于锂硫电池当中,初步研究了两种方法制备的Li_2S/C复合材料的电化学性能,为锂硫电池正极材料研究领域提供了重要的探索经验。