编号：CYYJ04838
篇名： CoSe2@C3N5复合材料的结构调控及其锂硫电池性能研究
作者： 王梦婷
关键词： 锂硫电池; C3N5; CoSe2; B掺杂; 蜂窝状多孔结构; 穿梭效应;
机构：湖南理工大学
摘要： 锂硫电池因其高理论比容量和高能量密度,被认为是极具潜力的下一代储能体系。然而,其实际应用仍受多重瓶颈制约:硫及其放电产物电导率低,限制活性物质利用;多硫化锂在电解液中易溶解并发生穿梭效应,导致容量快速衰减;充放电过程中约80%的体积变化则易引起电极结构失稳。因此,构建兼具高效吸附与催化转化能力的正极载体材料是提升电池性能的关键。C3N5作为高氮含量碳氮材料,具有丰富的极性位点,可对多硫化锂产生较强的化学吸附作用;CoSe2具有良好的导电性和催化活性,能够加速多硫化锂的氧化还原反应动力学。因此,本文以C3N5基材料与CoSe2为研究核心,通过催化复合、元素掺杂与结构调控相结合的策略,构筑了CoSe2@C3N5、CoSe2@B-C3N5及CoSe2@HB-C3N5三类复合电极材料,并研究其电化学性能及作用机制。主要研究结果如下: （1）以3-氨基-1,2,4-三唑为原料,结合热解与水热法成功制备了CoSe2@C3N5复合材料,探究了水热反应时间对材料结构及性能的影响。结果表明,优化后的CoSe2@C3N5-18复合材料具有较高的比表面积和良好催化活性,可提供丰富活性位点以增强对多硫化锂的吸附能力,同时缩短电子与离子传输路径。CoSe2@C3N5-18/S正极在0.2 C电流密度下初始比容量达到956 m Ah g-1,循环300次后容量保持率为61.1%;在2 C条件下初始放电比容量为605 m Ah g-1,循环1000次后仍保持352 m Ah g-1。性能提升源于C3N5吸附作用与CoSe2催化作用的协同效应,有效抑制了穿梭效应并提高硫利用率。 （2）通过硼掺杂调控C3N5的电子结构和表面极性,制备CoSe2@B-C3N5复合材料。B掺杂引入电子缺陷并形成更多极性位点,增强对多硫化锂的化学锚定能力,同时改善导电性。优化样品CoSe2@B-C3N5-1表现出较高的比表面积和较大的孔容,有利于电解液浸润与离子扩散,并为多硫化物提供充足的储存空间。该复合材料在0.2 C电流密度下初始比容量达到1066 m Ah g-1,循环300次后容量保持率为62.2%;在2 C条件下循环1000次后,容量衰减率仅为0.045%。证实了B掺杂策略有效提升了材料对多硫化物的固定能力和转化效率。 （3）通过硬模板法构建具有蜂窝状多孔结构的CoSe2@HB-C3N5复合材料。该结构显著提高比表面积并形成离子传输通道,同时提供充足空间以缓冲体积变化,维持电极结构稳定。蜂窝状多孔结构提供了快速的离子传输通道和充足的体积缓冲空间,有效抑制了“穿梭效应”并维持了电极结构完整性。CoSe2@HB-C3N5-50/S正极材料在0.2 C电流密度下初始比容量达到1126 m Ah g-1,循环300次后仍保持704 m Ah g-1,容量保持率为62.5%;在2 C条件下循环1000次后仍保持416 m Ah g-1,单圈容量衰减率低至0.0417%,实现了性能的显著提升。 本文通过多维结构与成分协同调控,显著提升了正极材料在多硫化物吸附、催化转化及结构稳定性方面的综合性能。研究揭示了催化作用、掺杂调控与结构设计之间的协同机制,为高性能锂硫电池正极材料的设计提供了新的思路,对推动其高能量密度和长寿命发展具有重要意义。