关键词：
锂硫电池
二硫化钼量子点
金属有机骨架
穿梭效应
摘要：
人类的衣食住行都依赖于能源。在众多储能体系中,锂离子电池（LIBs）占据着主导地位,广泛应用于3 C数码设备、移动通讯、电动车辆和航空航天等领域,并将在大规模可再生能源并网、大规模储能和峰值电流调控等领域发挥重要作用。但是,当前商业化LIBs基于Li+脱嵌机制,其质量能量密度难以突破300Wh/Kg,而电池的能量密度是决定未来电动汽车性能指标的关键因素之一。因此,开发更高能量密度和更低成本的电池,是未来社会发展的必然趋势,也是世界各国面临的共同技术挑战。锂硫（Li-S）电池以单质S为正极,金属Li为负极,结合Li电位低（-3.04 V,vs.H+/H2）、比容量高（3800 m Ah/g）以及硫储量丰富、廉价易得和比容量较大（1675 m Ah/g）的优点,以S为正极,Li为负极组成的Li-S电池具有极高的理论比能量（2600 Wh/Kg）,有望成为最具前景的下一代储能器件。但是由于S正极仍然存在的一些问题,如活性硫及其放电产物导电率低、电极体积膨胀等,极大阻碍了Li-S电池的商业化应用。为解决这些问题,本文制备并研究了一系列二硫化钼量子点（MoS2QDs）修饰的硫基正极材料,将其作为S的宿主材料用于Li-S电池正极,并研究了其电化学性能。本文主要研究内容如下:
（1）MoS2QDs-CNTs/S@NH复合材料的制备及Li-S电池性能研究
将MoS2粉末通过超声和细胞破碎剥离制备出MoS2QDs,采用水热反应将MoS2QDs修饰在碳纳米管（CNTs）骨架上得到复合材料MoS2QDs-CNTs,再用熔融扩散法与硫负载得MoS2QDs-CNTs/S,最后用化学沉积法将Ni（OH）2包覆其上制备得到MoS2QDs-CNTs/S@NH复合材料。对获得的材料进行SEM、XRD、TEM、EDS、Raman、BET、XPS等形貌、结构表征。结果表明,MoS2QDs的尺寸小于5 nm,均匀的分布在CNTs表面,部分进入孔道当中。对正极材料进行TG测试,测得正极材料中硫含量为69 wt%。电化学性能测试结果表明,MoS2QDs-CNTs/S@NH复合材料具有优异的电化学性能,在0.5 C倍率下,MoS2QDs-CNTs/S@NH正极材料的初始放电比容量为1141.4 m Ah/g,200圈循环后放电比容量为884.6 m Ah/g,容量保持率为77.5%,每圈容量衰减为0.11%。相同条件下,MoS2QDs-CNTs/S和CNTs/S正极的放电比容量仅为719.5和555.6m Ah/g,容量保持率分别为58.9%和55.7%。
（2）MoS2QDs-ZIF-67/S@NH复合材料的制备及Li-S电池性能研究
以金属-有机框架（ZIF-67）作为活性物质S的多功能载体,以MoS2QDs为活性催化位点,Ni（OH）2作为物理防护层,构筑并制备了MoS2QDs-ZIF-67/S@NH复合材料,验证其对多硫化物（Li PS）的吸附和催化作用。获得的正极材料结合了极性ZIF-67和MoS2QDs的优势,能够通过极性作用锚定Li PS,还可以为氧化还原转化提供大量催化位点,Ni（OH）2包覆层实现了对活性材料的物理限域,还为快速电子/离子传输提供有效途径。电化学测试表明MoS2QDs-ZIF-67/S@NH复合材料具有优异的电化学性能,在0.5 C倍率下初始比容量为1147.6 m Ah/g,循环350圈后,比容量为768.8 m Ah/g,容量保留率为65.5%,每圈容量衰减为0.09%,库伦效率始终维持在94%以上。
（3）MoS2QDs-ZIF 67-CNTs/S@NH复合材料的制备及Li-S电池性能研究
通过CNTs实现MOF的可控生长,原位合成了CNTs连接ZIF-67多面体（ZIF 67-CNTs）复合结构作为Li-S电池正极。CNTs构成的导电网络串联了分散的ZIF-67颗粒,使得ZIF-67粒径减小,从而缩短了离子在电极中传输的距离,增强了电池的电化学活性。在ZIF 67-CNTs的到店骨架上进一步修饰MoS2QDs和Ni（OH）2包覆层,构筑了具有多活性位点和物理屏障的MoS2QDs-ZIF 67-CNTs/S@NH正极材料。电化学测试结果表明,MoS2QDs-ZIF 67-CNTs/S@NH正极材料初始比容量为1179.6 m Ah/g,循环200圈后,其容量剩余为901.7m Ah/g,每圈容量衰减仅为0.12%,容量保持率为76.4%,库仑效率始终保持在99%以上。
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