房彬 徐富良 江永明 葉方敏

摘 要： 為了提高硫化鋰正極的倍率性能、抑制多硫化鋰穿梭并降低成本，以三硫化二鋰作為硫化鋰的前驅(qū)體，聚乙烯吡咯烷酮和碳納米管作為碳源，經(jīng)高溫處理制備納米硫化鋰/碳復合材料，以此作為鋰硫電池的正極材料。采用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、熱重分析儀對該復合材料的形貌、結構以及組成進行表征，并進行電化學性能測試。結果表明：制備的納米硫化鋰/碳復合正極材料中，納米硫化鋰分散均勻并被熱分解的碳包覆，合成的三硫化二鋰前驅(qū)體在空氣中具有一定的穩(wěn)定性，能夠降低納米硫化鋰的生產(chǎn)成本；將納米硫化鋰/碳復合正極材料用于鋰硫電池時，在0.07 C（1 C=1166 mA/g）倍率下初始放電比容量達910 mAh/g，在1.00 C高倍率下循環(huán)150次后，可逆容量保持在484 mAh/g，這表明納米硫化鋰/碳的活性物質(zhì)利用率較高、多硫化鋰穿梭較弱。采用三硫化二鋰前驅(qū)體制備高性能硫化鋰復合材料，工藝成本低，有助于硫化鋰正極材料的實際應用。

關鍵詞： 硫化鋰正極；三硫化二鋰前驅(qū)體；碳納米管；聚乙烯吡咯烷酮；鋰硫電池；空氣穩(wěn)定性

中圖分類號： TM912

文獻標志碼： A

文章編號： 1673-3851 （2023） 01-0043-07

引文格式：房彬，徐富良，江永明，等. 納米硫化鋰/碳復合正極材料的制備及其電化學性能［J］. 浙江理工大學學報（自然科學），2023，49（1）：43-49.

Reference Format： FANG Bin， XU Fuliang， JIANG Yongming，et al. Fabrication of nanoscale Li2S/cabon composite cathode and its electrochemical performance［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（1）：43-49.

Fabrication of nanoscale Li2S/cabon composite cathode and its electrochemical performance

FANG Bin， XU Fuliang， JIANG Yongming， YE Fangmin

（School of Science， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to improve the rate capability of lithium sulfide cathode， inhibit the shuttle of lithium polysulfides and reduce the cost， a nanoscale lithium sulfide/carbon composite material was prepared by using dilithium trisulfide as the precursor of lithium sulfide， polyvinylpyrrolidone and carbon nanotubes as carbon sources under high temperature treatment， which was used as a cathode material for lithium-sulfur batteries. Scanning electron microscope， X-ray diffractometer and thermogravimetric analyzer were used to detect and analyze the morphology， structure and composition of the composites， and its electrochemical performances were tested. The results have shown that in the prepared nano-lithium sulfide/carbon composite cathode material， nano-lithium sulfide was uniformly dispersed and coated by thermally decomposed carbon， and the synthesized lithium trisulfide precursor had certain stability in air， which could reduce the production cost of nano-lithium sulfide; when the nano-sized lithium sulfide/carbon composite were used in lithium-sulfur batteries cathode， an initial discharge specific capacity of 910 mAh/g （1 C=1166 mA/g） at a rate of 0.07 C could be reached， and the reversible discharge specific capacity remained 484 mAh/g after 150 cycles at a high rate of 1.00 C， indicating the improvement of the utilization of active materials and the weak shuttle effect of lithium polysulfides. Using dilithium trisulfide as precursor to prepare high-performance lithium sulfide composite materials has a low process cost and is conducive to the practical application of lithium sulfide cathode materials.

Key words：? Li2S cathode; Li2S3 precursor; carbon nanotubes; polyvinylpyrrolidone; lithium-sulfur batteries; stability in air

0 引 言

鋰硫電池因具有很高的理論比能量（2600 Wh/kg）和比容量（1675 mAh/g），受到研究人員的廣泛關注［1-3］。但鋰硫電池在實際應用中受到諸多問題的限制［4-5］，如：a）硫的電子/離子電導率低；b）充放電過程中生成的可溶性多硫化鋰會穿梭到負極，引起“穿梭效應”；c）硫在充放電過程中的體積變化巨大；d）匹配的鋰金屬負極存在安全問題。作為硫的完全鋰化態(tài)，硫化鋰（Li2S）具有高理論比容量（1166 mAh/g），并且可以避免硫正極面臨的體積膨脹問題和鋰負極的安全問題［6-8］。然而，Li2S正極初始充電過程需要使用高截止電壓來進行活化［9］，以提高活性物質(zhì)利用率，但高截止電壓可能會導致醚類電解液的分解［10］；Li2S極易水解，Li2S正極的制備、存儲需要在極干燥環(huán)境下進行，大大增加了應用成本。

為降低初始活化勢壘，科研人員提出了高能球磨［11］、重結晶［12］和化學反應［13］等多種制備納米級Li2S的方法，得到的納米Li2S顆粒具有高比表面積，提高了界面處的鋰離子交換速率，進而降低了初始活化勢壘。在所有制備納米級Li2S的方法中，重結晶法效率更高、成本更低［14］。Wu等［12］在Li2S的乙醇溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone，PVP），利用Li2S和PVP在乙醇蒸發(fā)過程中發(fā)生共沉淀獲得Li2S納米粒子，再利用熱處理將PVP轉化為導電碳，得到了納米結構的Li2S/C復合材料；用作鋰硫電池正極時，在0.05 C（1 C=1166 mA/g）的倍率下首次充電截止電壓約為3.40 V，放電比容量保持92%。由于Li2S的重結晶過程需要在無水的環(huán)境（通常在真空手套箱內(nèi)）中進行，增加了生產(chǎn)和儲存成本，降低了可操控性，因此需要開發(fā)能在常規(guī)空氣環(huán)境中實施的重結晶方法。

本文分析了三硫化二鋰（Li2S3）在常規(guī)空氣環(huán)境中的穩(wěn)定性，利用Li2S3作為Li2S的前驅(qū)體以實現(xiàn)常規(guī)空氣環(huán)境中的重結晶，將PVP、碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）作為碳源，通過重結晶、高溫碳化，制備納米硫化鋰/碳（n-Li2S/C）復合材料，并將n-Li2S/C復合材料用作鋰硫電池正極，進行電化學性能的檢測分析。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試 劑

商業(yè)硫化鋰粉末（Li2S，99.9%）購于阿法埃莎（中國）化學有限公司；硫、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，型號k90，Mw=1300000）購于西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司；無水乙醇（99.5%）購于北京百靈威科技有限公司；聚偏二氟乙烯（PVDF，型號HSV900）黏結劑購于法國阿科瑪公司；乙炔黑購于蘇州晟爾諾科技有限公司；碳納米管（CNTs）購于蘇州碳豐石墨烯科技有限公司和N-甲基吡咯烷酮（NMP）購于蘇州多多化學科技有限公司。所有試劑使用前無需進一步純化。

1.1.2 儀 器

SKGL-1200型真空管式爐（上海大恒光學精密機械有限公司）、真空手套箱（蘇州威格氣體純化科技股份有限公司）、T07型紐扣電池切片機（深圳科晶智達科技公司）、MSK-110型紐扣電池封口機（深圳科晶智達科技公司）、CT2001A型電池測試系統(tǒng)（武漢藍電電子股份有限公司）、D8 Discover型X射線衍射儀（德國布魯克公司）、S-4800型場發(fā)射掃描電鏡（日本日立公司）、PYRIS 1型綜合熱分析儀（美國柏金-埃爾默公司）和CHI760E型電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）。

1.2 n-Li2S/C復合材料的制備

n-Li2S/C復合材料是以Li2S3作為Li2S的前驅(qū)體，PVP和CNTs作為碳源制備的，制備過程如圖1所示。將Li2S和硫在乙醇中混合，生成Li2S3乙醇溶液，添加PVP和CNTs，得到固/液混合物，該固/液混合物對空氣環(huán)境穩(wěn)定，可以在手套箱外蒸發(fā)去除乙醇，得到含有Li2S3的固體混合物。將固體混合物在350 ℃分解除去硫，重新生成Li2S，隨后升溫到600 ℃將PVP碳化，得到n-Li2S/C復合材料。

具體操作步驟如下：在真空手套箱中將345 mg Li2S和510 mg硫加入到10 mL無水乙醇中，攪拌30 min形成棕色的Li2S3前驅(qū)體溶液，并加入300 mg PVP和100 mg CNTs，攪拌2 h形成固/液混合物，隨后轉移至手套箱外，在60 ℃下蒸發(fā)去除乙醇得到固體混合物。將固體混合物放入氬氣氣氛下的管式爐中，以3 ℃/min升溫到350 ℃，保溫3 h，以3 ℃/min繼續(xù)升溫到600 ℃煅燒1 h，隨后降至室溫，獲得n-Li2S/C復合材料。

1.3 微米硫化鋰/碳（m-Li2S/C）復合材料的制備

在手套箱中將345 mg Li2S、130 mg乙炔黑和100 mg CNTs混合研磨1 h，得到m-Li2S/C復合材料。

1.4 材料表征

a）采用S-4800型場發(fā)射掃描電鏡（日本日立公司）觀察樣品的表面形貌，加速電壓為3 kV。

b）采用D8 Discover型X射線衍射儀（德國布魯克公司）對樣品進行物相分析，工作電壓為40 kV，工作電流40 mA，掃描范圍為2θ=10°～80°。由于Li2S對濕度敏感，在手套箱中制備測試樣品，將n-Li2S/C復合材料使用聚酰亞胺（kapton）膠帶密封后，轉移至手套箱外進行測試。通過在手套箱中將Li2S3乙醇溶液蒸發(fā)得到新鮮的Li2S3樣品，使用kapton膠帶密封后進行測試。通過將Li2S3乙醇溶液在空氣環(huán)境中靜置6 d后蒸發(fā)得到空氣暴露6 d的Li2S3測試樣品，使用kapton膠帶密封后測試。

c）采用PYRIS 1型綜合熱分析儀（美國柏金-埃爾默公司）對樣品進行熱重分析（TGA）測試。氧氣氣氛，溫度區(qū)間為30～600 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.5 電化學測試

電極制備及電池組裝均在充滿氬氣的手套箱中進行，手套箱的水、氧體積含量均低于0.0005‰。實驗組和對照組的電極制備、電池組裝步驟保持一致，具體方法如下：將n-Li2S/C（或m-Li2S/C）和PVDF按質(zhì)量比9∶1混合，添加NMP溶劑后攪拌12 h形成均勻漿料，涂覆在鋁箔上，在60 ℃下真空干燥12 h，切成圓片電極；將圓片電極組裝成2025型紐扣電池，使用鋰片作負極，電解液為1 mol/L LiTFSI（VDOL∶VDEM = 1∶1作溶劑，添加質(zhì)量分數(shù)1%的LiNO3）。

使用CT2001A型電池測試系統(tǒng)（武漢藍電電子股份有限公司）進行恒流充放電測試，測試溫度為室溫。電池首圈循環(huán)以0.07 C充電至3.50 V，放電至1.70 V，之后循環(huán)在1.00 C的倍率下進行，電壓范圍為1.70～2.60 V。循環(huán)伏安測試和電化學阻抗譜分析均使用CHI760E型電化學工作站（上海辰華儀器有限公司），循環(huán)伏安測試的掃描范圍：以0.05 mV/s的速率從開路電壓掃描到3.50 V，在1.70～2.60 V循環(huán)。電化學阻抗譜測試在0.1 Hz～100 kHz的頻率范圍內(nèi)進行，偏壓5 mV。

2 結果與討論

2.1 形貌表征

使用掃描電子顯微鏡（SEM）對n-Li2S/C的表面形貌結構進行了表征，結果如圖2所示。從圖2（a）中可以看到，n-Li2S/C復合材料中沒有大塊的晶體顆?；驁F聚，各組分分布均勻，其中有細小的顆粒、線狀物和較致密的不定形物質(zhì)，分別對應于Li2S、CNTs和PVP熱分解碳。由于PVP極性官能團具有強親和力［12］，限制了Li2S3在乙醇蒸發(fā)過程中的生長，進而減小了最終得到的Li2S的粒徑。圖2（b）是對圖2（a）中虛線區(qū)域放大的SEM圖，可以清晰地看到直徑30～50 nm的Li2S顆粒和CNTs鑲嵌在PVP熱分解生成的不定形碳中，說明n-Li2S/C復合材料中導電碳與Li2S顆粒具有良好的接觸，并能在一定程度上抑制多硫化鋰的穿梭。

2.2 X射線衍射分析

圖3為n-Li2S/C復合材料和Li2S3的X射線衍射圖譜。從圖3（a）可見，n-Li2S/C在約20°有一個非晶峰，歸于kapton膠帶，其他的衍射峰從左向右依次對應硫化鋰的（111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）、（331）、（420）晶面衍射峰，實驗結果與Li2S的XRD標準卡片（PDF#77-2145）一致，表明從Li2S3到Li2S的轉變是完全的，沒有其他雜質(zhì)生成。

為了探究Li2S3的空氣穩(wěn)定性，對新鮮Li2S3和在空氣環(huán)境中放置6 d的Li2S3進行X射線衍射分析，結果如圖3（b）所示。從圖3（b）可見，除了20°附近屬于kapton膠帶的背景峰外，新鮮Li2S3和空氣環(huán)境中放置6 d的Li2S3均沒有發(fā)現(xiàn)其他衍射峰，表明Li2S3為非晶態(tài)，且在空氣中暴露6 d后沒有反應生成其他物質(zhì)；相比之下，Li2S對濕度高度敏感，Li2S正極的制備通常需要在惰性氣體或干燥空氣環(huán)境中進行，將增加生產(chǎn)、儲存和運輸成本。其他使用低成本前驅(qū)體制備Li2S正極的方法，如高溫碳熱還原硫酸鋰（Li2SO4），通常會得到微米或亞微米級的Li2S顆粒［14］。因此使用Li2S3前驅(qū)體生產(chǎn)Li2S將具有綜合性優(yōu)勢，既能降低生產(chǎn)、儲存和運輸成本，又能得到高純度的納米級Li2S顆粒。

2.3 熱重分析

為確定n-Li2S/C復合材料中Li2S的質(zhì)量分數(shù)，在氧氣氣氛下進行熱重分析測試，結果如圖4所示。從圖4可見，在300 ℃附近，n-Li2S/C中的Li2S被氧化為Li2SO4，質(zhì)量增加，在450 ℃附近，n-Li2S/C中的碳被氧化為二氧化碳氣體，質(zhì)量減小，在600 ℃時質(zhì)量趨于穩(wěn)定，得到唯一產(chǎn)物Li2SO4。

根據(jù)n-Li2S/C在高溫處理前后的質(zhì)量變化可以計算出Li2S的含量［15］，計算公式為：

X/%=45.95×m2109.94×m1×100

其中：X為n-Li2S/C中Li2S的含量；m1為n-Li2S/C高溫處理前的質(zhì)量；m2為n-Li2S/C高溫處理后的質(zhì)量。從圖4可知，m2為m1的143%，即m2∶m1=143∶100，代入上式計算得到n-Li2S/C復合材料中Li2S的含量為60%。

2.4 電化學性能測試

圖5（a）和圖5（b）分別為n-Li2S/C和m-Li2S/C電極的循環(huán)伏安曲線，第一次循環(huán)首先從開路電壓掃描至3.50 V，然后反向掃描至1.70 V，第二次循環(huán)掃描區(qū)間為1.70 ～ 2.60 V，掃描速度均為0.05 mV/s。從圖5（a）可見，n-Li2S/C電極的第一次循環(huán)在2.70 V顯示出寬的氧化峰，對應于Li2S轉變?yōu)槎嗔蚧嚕?.40 V也出現(xiàn)一個氧化峰，可能對應于多硫化鋰轉變?yōu)榱颍?.27 V和2.05 V觀察到兩個還原峰，分別對應于硫轉變?yōu)殚L鏈多硫化鋰（Li2Sn ，3≤n≤8）和多硫化鋰轉變?yōu)長i2S；第二次循環(huán)的氧化峰約為2.38 V，還原峰與第一次循環(huán)基本相同。因此，n-Li2S/C電極具有良好的電化學穩(wěn)定性。從圖5（b）可見，m-Li2S/C電極的第一次循環(huán)顯示出3.15 V和3.45 V的氧化峰，明顯高于n-Li2S/C電極，其原因是m-Li2S/C電極中的商業(yè)Li2S為微米顆粒，充電勢壘較高，需要更高的活化電壓才能完成充電，而n-Li2S/C電極中的Li2S為納米顆粒，使充電勢壘大大降低；m-Li2S/C電極第二次循環(huán)的氧化峰約為2.35 V，峰形相比n-Li2S/C電極更窄，這是因為m-Li2S/C電極中的Li2S暴露于碳和電解液中，而n-Li2S/C電極中的Li2S被PVP熱分解碳包覆，充電過程存在稍強的極化現(xiàn)象。因此，n-Li2S/C電極可以在更低的截止電壓活化，并且具有很好的電化學穩(wěn)定性。

圖5（c）和圖5（d）分別為n-Li2S/C和m-Li2S/C電極前三個循環(huán)的充放電平臺曲線。第一次循環(huán)為0.07 C倍率，以充分活化Li2S；第二、三次循環(huán)為1.00 C倍率，以測試電池的倍率性能。從圖5（c）可見，n-Li2S/C電極第一次循環(huán)的充電電壓緩慢上升到截止電壓3.50 V，與CV曲線中表現(xiàn)出的以2.70 V為中心的活化寬峰一致；第一次循環(huán)的放電過程存在2.30 V和2.10 V兩個放電平臺，其中2.30 V的高放電平臺對應于硫轉化為長鏈多硫化鋰的過程，2.10 V的低放電平臺對應于長鏈多硫化鋰轉變?yōu)槎替湺嗔蚧嚥⒆罱K轉化為Li2S或Li2S2的過程［16］；第二、三次循環(huán)的充電平臺表現(xiàn)出減小趨勢，表明Li2S在第二次循環(huán)過程中發(fā)生了進一步活化；第二、三次循環(huán)同樣具有兩個放電平臺，且放電平臺電壓與第一次循環(huán)相比變化較小，說明當倍率從0.07 C增加到1.00 C時，產(chǎn)生的極化對平臺電壓影響較小。從圖5（d）可見，m-Li2S/C電極第一次循環(huán)的充電電壓迅速上升到3.30 V，隨后迅速下降到2.40 V，短暫充電后迅速上升到3.40 V，表現(xiàn)出商業(yè)Li2S典型的初始活化行為。由于m-Li2S/C電極的初始活化勢壘較高，其初始充放電比容量明顯低于n-Li2S/C電極。m-Li2S/C電極的第二、三次循環(huán)的放電平臺的電壓極化現(xiàn)象同樣較弱，這可能得益于兩種電極中CNT導電骨架對倍率性能的提升。

n-Li2S/C和m-Li2S/C電極在1.00 C倍率下的循環(huán)性能和庫倫效率如圖5（e）所示。從圖5（e）可見，n-Li2S/C電極在0.07 C倍率下的首次放電比容量達910 mAh/g（基于活性物質(zhì)硫化鋰），活性物質(zhì)利用率為78%，而m-Li2S/C電極僅為650 mAh/g和56%。初始活化循環(huán)之后，在1.00 C倍率下進行循環(huán)，由于電化學反應動力學遲滯，n-Li2S/C電極的放電比容量降至605 mAh/g，而m-Li2S/C電極則降至456 mAh/g；n-Li2S/C電極在前幾個循環(huán)中出現(xiàn)了容量回升，可能是充放電過程中，活性物質(zhì)發(fā)生了重新分布，增強了與碳的導電接觸，電極反應動力學得到了改善，提升了活性物質(zhì)利用率；n-Li2S/C電極在1.00 C倍率下循環(huán)150次后放電比容量為484 mAh/g，表現(xiàn)出優(yōu)良的倍率性能。除前兩次循環(huán)外，庫倫效率一直平穩(wěn)地保持在97%以上；而m-Li2S/C電極在150次循環(huán)后放電比容量僅為322 mAh/g，庫倫效率波動性地保持在96%以上。因此，n-Li2S/C電極具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，這主要由于PVP熱分解碳能夠抑制多硫化鋰穿梭，減緩容量衰減，而CNTs導電骨架能夠提供良好的導電性，提升倍率性能。

對n-Li2S/C和m-Li2S/C電極進行循環(huán)前的電化學阻抗測試，結果如圖6所示。從圖6可見，曲線由高頻區(qū)的半圓和低頻區(qū)的傾斜線組成，分別對應于電荷轉移電阻（Rct）和Warburg阻抗［17］，使用等效電路模型進行擬合，得到n-Li2S/C電極的電荷轉移電阻為33.3 Ω，遠低于m-Li2S/C電極（61.2 Ω）。因此，n-Li2S/C電極具有更快速的離子、電子輸運，證明了n-Li2S/C電極所表現(xiàn)出的更優(yōu)異電化學性能。

3 結 論

本文將硫化鋰和硫、碳納米管、聚乙烯吡咯烷酮在乙醇中進行簡單混合及重結晶、高溫處理，得到具有增強電子和離子導電性的納米硫化鋰/碳（n-Li2S/C）復合材料，對其形貌、結構和組成進行了表征，并將其用作鋰硫電池正極，進行了一系列電化學性能測試，主要結論如下：

a）通過聚乙烯吡咯烷酮對Li2S3的強親和力限制了最終Li2S的粒徑大小，得到被熱分解碳和碳納米管包覆的納米Li2S顆粒，使n-Li2S/C電極的活性物質(zhì)利用率達78%，在1.00 C的高倍率下，循環(huán)150圈后放電比容量為484 mAh/g，庫倫效率平穩(wěn)保持在97%以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。

b）利用Li2S3前驅(qū)體在空氣環(huán)境中的穩(wěn)定性來制備Li2S正極，可以降低納米Li2S基正極材料的生產(chǎn)成本，具有實際應用價值。

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（責任編輯：張會?。?/p>

收稿日期： 2022-03-17? 網(wǎng)絡出版日期：2022-06-02網(wǎng)絡出版日期

基金項目： 國家自然科學基金項目（22075313）；浙江理工大學科研啟動基金（18062299-Y）

作者簡介： 房 彬（1996—? ），男，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事鋰硫電池方面的研究。

通信作者： 葉方敏，E-mail：fmye2018@zstu.edu.cn