1. 研究目的与意义（文献综述）

在二次电池储能系统中，锂硫电池具有很高的理论比容量(1675mah#8729;g^－1) 和理论体积容量 (3459mah #8729;cm^－3)，以及硫资源丰富、价格低廉、环境友好、易被大规模应用等优势，硫迅速成为新型能源存储系统最具潜力的正极材料^［1-2］。其中，与锂负极电化学配对，基于16li s₈=8li₂s这一电化学反应的锂硫电池具有超高的理论能量密度(2600 wh#8729;kg^－1)，是目前商业化锂离子电池实际所能达到的能量密度的10倍左右，预测其成功应用必将在电动汽车动力电池、智能电网及清洁能源大规模储能电池等领域表现出巨大价值，而引起了人们的广泛关注，成为近年来新一代高能量密度电池的研究重点。然而，目前锂硫电池实际能达到的能量密度远远低于其理论能量密度，并且循环寿命差，这些都严重阻碍了锂硫电池的产业化进程。究其原因主要是由于在锂硫电池体系中，充放电中间产物多硫化锂易溶解于电解液中，并穿梭到负极与负极反应造成“穿梭效应”，从而导致活性物质的不可逆损失和负极恶化，严重影响电池循环寿命，最终致使电池器件性能下降和失效^［2-4］。因此，迫切需要寻找解决这一关键问题的有效策略。为此，锂硫电池领域的研究者们进行了不断地探索和努力，主要集中在硫正极、电解液和隔膜修饰技术方面。其中以碳作为硫的载体以及导电骨架的碳硫复合正极材料的研究成果尤为显著而备受关注^［5］。

在尝试不同的硫正极载体材料时，可以发现：碳质材料具有轻质、高比表面积、高导电性及丰富的孔结构，是电极活性物质硫的理想载体。其中，层级碳材料具有大的比表面积和孔容，可以将单质硫约束在其中，提高硫的利用率，并抑制穿梭效应^［6-7］。此外，层级碳材料导电性好，有利于电子传输；比表面积大，吸收性强，硫在其中具有良好的分散性，丰富的孔洞结构也有助于电解液的吸收和保持，为电子和离子的迁移构建通道，改善电池循环性能和电化学可逆性。另外，在电池充放电过程中，由于硫及其充放电产物有高达79％的体积膨胀和收缩，导致硫与导电骨架的脱离，造成显著的容量衰减，甚至电池的损坏。层级碳材料为反应产物提供了容纳空间，减轻了体积胀缩损坏^［8-9］。文献［10-11］指出，在充放电过程中可溶的多硫化锂会被吸附在层级碳材料的孔隙中，有助于提高活性物质的利用率。

为了进一步改善碳材料在锂硫电池中的作用，通常将杂原子或含杂原子的基团（氨基，硝基，磺酸基等）掺杂到多孔碳材料的表面或结构中，使多孔碳材料的各方面的性能得到改进和提高^［12-13］。杂原子掺杂（如硼、硫、磷和氮掺杂）可显著改变碳材料的元素构成，操控其表面活性，同时改善其电化学性能^［14-15］。在众多的掺杂组分当中，氮是最受研究者们青睐的一种元素。理论和众多的实验研究表明氮是掺杂碳材料的理想元素。氮元素在元素周期表中位于第va 族，与碳原子邻位，在众多杂原子中，氮原子与碳原子原子半径接近，因此氮原子的掺杂可使碳材料的晶格发生尽可能小的畸变。使其更容易置换碳材料原子晶格中的碳原子，从而形成氮掺杂碳材料。氮原子比碳原子多1个核外电子，并且具有很高的电子亲和力，从而使氮掺杂碳材料中毗邻 n 杂原子的碳原子拥有高的正电荷密度，同时 n 原子孤对电子和碳原子晶格大π键之间存在共轭作用，这使得氮掺杂碳材料体现出优异的电化学性能和催化性能^［16-17］。另一方面，氮原子上带有的孤对电子起到载流子的作用，当掺入多孔碳材料后，将使多孔碳材料的电荷密度增加，形成n型半导体，进而使多孔碳材料的导电性能增加。表面含氮官能团的增加则能改善多孔碳材料的表面亲水性能，提高其生物相容性。总之，氮掺杂的多孔碳材料比纯多孔碳材料具有更多优异的性质，使其更适用于作为锂硫电池中的正极材料载体^［18］。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容：

以3-胺基苯酚和六次甲基四胺为前驱体，采用有机-有机自组装法合成高度有序介孔碳材料，并通过氨气活化法对材料的孔结构和氮含量进行调控，重点优化活化条件获得高比表面积、大孔容和高氮含量的层级碳材料。通过熔融-分散法制备介孔碳/硫复合材料，并对其作为锂硫电池正极材料的电化学性能进行评价。

2.2技术方案：

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献，完成开题报告。

第4-8周：合成不同氮掺杂层级材料及碳硫复合材料，然后对所合成材料进行表征；

第9-12周：将碳硫复合材料作为正极，金属锂为负极组成锂硫电池，并利用电化学方法检测体系的容量、功率和循环性；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]吴奕环，乔志军 高比能锂硫二次电池研究进展 能源与节能 2016 年第3期

[2]秦海超，燕映霖，杨蓉，李巧乐，王岩，陈利萍 高性能锂硫电池正极复合材料研究现状 电源学报

[3]李念武 殷雅侠 郭玉国 锂硫（硒）电池中的界面问题与解决途径 电化学