基于MoC-Mo2C隔膜催化轉(zhuǎn)化多硫化物提升鋰硫電池性能摘要：鋰硫電池憑借極高的理論能量密度受到廣泛的關(guān)注，被認為是極具應(yīng)用前景的新型電化學(xué)儲能系統(tǒng)。然而其商業(yè)化進程仍然面臨著諸如穿梭效應(yīng)、較差的多硫化物氧化還原動力學(xué)等問題。其中隔膜作為鋰硫電池重要組成部分，被認為是優(yōu)化電池性能的關(guān)鍵切入點。針對上述問題，同時考慮到鉬元素表面豐富的價態(tài)與碳化物自身的高導(dǎo)電性，本工作提出制備空心納米花結(jié)構(gòu)的MoC-Mo2C異質(zhì)結(jié)材料并將其運用于鋰硫電池隔膜修飾中，借助雙重組分對于不同階段多硫化物的吸附與催化作用，巧妙利用異質(zhì)結(jié)材料耦合結(jié)構(gòu)帶來的協(xié)同效應(yīng)，綜合調(diào)控鋰硫電池充放電過程，提高電池氧化還原反應(yīng)動力學(xué)，進一步增強電化學(xué)性能。在0.2C的倍率下，相較于單組分MoC或者Mo2C材料僅有1187.7與1387.4mAhg-1的初始容量，利用MoC-Mo2C隔膜的鋰硫電池初始容量高達1496.1mAhg-1，每圈容量衰減率為0.27%。即使是在7.12mgcm-2的高硫負載條件下，使用MoC-Mo2C修飾隔膜的鋰硫電池在前30圈循環(huán)中也展現(xiàn)出高于900mAhg-1的放電比容量，充分抑制了穿梭效應(yīng)。綜上所述，本文揭示了MoC-Mo2C異質(zhì)結(jié)材料用于隔膜修飾改性從而提高電池性能的有效策略，為未來鋰硫電池更深入的發(fā)展提供了新的策略。關(guān)鍵詞：鋰硫電池；隔膜修飾；電化學(xué)性能；穿梭效應(yīng)Catalyticconversionofpolysulfidestoenhancetheperformanceoflithium-sulfurbatteriesbasedontheMoC-Mo2CheterojunctionmembranesAbstract:Asoneofthemostpromisingelectrochemicalenergystoragesystems,lithium-sulfurbatterieshaveattractedextensiveattentionsbyvirtueofitsextremelyoutstandingtheoreticalenergydensity.However,itscommercializationprocessstillfacesmanychallenges,suchasdetrimentalshuttleeffectandpoorredoxkineticsofintermediatepolysulfides.Amongdifferentcomponentsoflithium-sulfurbatteries,separatorisidentifiedasthekeyentrypointtooptimizethebatteryperformance.Inviewoftheabovesituationandconsideringboththeabundantvalencestatesonthesurfaceofmolybdenumcompoundsandthehighconductivityofcarbidesthemselves,thisworkproposestopreparehollownanoflowerstructureMoC-Mo2Cheterojunctionmaterialsandapplythemtotheseparatormodificationinlithium-sulfurbatteries.Bymeansoftheadsorptionandcatalyticeffectoftwodifferentcomponentsonpolysulfidesduringvariousstagesandcleverlyutilizingthesynergisticeffectofthecouplingstructureinheterojunctionmaterials,thechargeanddischargeprocessofthebatteryiscomprehensivelyregulatedtoimprovethekineticsofpolysulfidesandexertfurtherprofoundconsequencesontheelectrochemicalperformance.Ithasbeendemonstratedthatattherateof0.2C,comparedwiththeinitialcapacityof1187.7and1387.4mAhg-1ofsingle-componentMoCorMo2Cmaterials,thelithium-sulfurbatteryusingMoC-Mo2Cseparatoryieldsahigherinitialcapacityof1496.1mAhg-1,andthecapacityattenuationratepercycleisonly0.27%.Simultaneously,evenunderhighsulfurloadingconditionof7.12mgcm-2,thelithium-sulfurbatteryusingMoC-Mo2Cseparatoralsodisplaysaprominentdischargespecificcapacitywhichishigherthan900mAhg-1duringfirst30cycles,fullysuggestingtheeffectivesuppressantofshuttleeffect.Insummary,thisthesisrevealsaneffectivestrategytomodifytheseparatorsthroughMoC-Mo2Cheterojunctionmaterialstoimprovetheperformanceofbatteries,andprovidesanewstrategyforthefurtherdevelopmentoflithium-sulfurbatteries.Keywords:lithium-sulfurbattery;separatormodification;electrochemicalperformance;shuttleeffect目錄第1章研究背景與意義 11.1引言 11.2鋰硫電池基本介紹 21.2.1鋰硫電池的組成結(jié)構(gòu) 21.2.2鋰硫電池的工作原理 31.2.3鋰硫電池面臨的挑戰(zhàn) 41.3鋰硫電池隔膜修飾研究 61.3.1物理限制 61.3.2化學(xué)吸附 61.3.3催化轉(zhuǎn)化 71.4課題設(shè)計 7第2章實驗材料與方法 92.1實驗試劑與儀器 92.2MoC、MoC-Mo2C與Mo2C材料的制備與表征 102.2.1MoC、MoC-Mo2C與Mo2C材料的制備 102.2.2MoC、MoC-Mo2C與Mo2C材料的表征 112.3電池組裝與測試 122.3.1電池極片與修飾隔膜的制備 122.3.2扣式電池的組裝 132.3.3電池電化學(xué)性能測試 13第3章 實驗結(jié)果與討論 153.1材料的形貌結(jié)構(gòu)分析 153.2鋰離子擴散動力學(xué)分析 173.3多硫化物吸附及催化轉(zhuǎn)化分析 193.4電池電化學(xué)性能分析 22第4章結(jié)論 25參考文獻 26致謝 29第1章研究背景與意義1.1引言作為世界上最大的發(fā)展中國家與綜合經(jīng)濟體，近幾十年來中國社會在快速工業(yè)化與高速城鎮(zhèn)化的發(fā)展方向下取得了長足的進步，然而正是在這個科技與經(jīng)濟井噴式爆發(fā)的時代背景下，關(guān)于能源的高效供給問題卻始終難以得到有效的解決。眾所周知能量一直是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)，供能系統(tǒng)的革新往往代表著時代的進步，標志著人類生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系的根本性變化。目前在世界范圍內(nèi)煤炭、石油等化石燃料仍然是全球能源結(jié)構(gòu)中的主要組成部分，但是隨著氣候變化對人類生活生產(chǎn)的影響逐步凸顯，減少傳統(tǒng)燃料的使用，尋找新型儲能系統(tǒng)已然成為了各個國家的發(fā)展重點。盡管風能、太陽能以及潮汐能有著清潔易取的優(yōu)點，然而由于其間歇性、周期性的缺點，很難在大范圍電網(wǎng)內(nèi)達到發(fā)電-供電平衡，無法撼動煤炭等燃料的主導(dǎo)地位。自20世紀80年代鈷酸鋰被發(fā)現(xiàn)并用作鋰離子電池電極以來，以鋰離子電池為代表的二次電池憑借其能夠循環(huán)使用、小巧便捷等優(yōu)點后來居上，逐漸得到科學(xué)界關(guān)注，成為了發(fā)展電動汽車以及其余電子器件的首要選擇[1,2]（如圖1-1）。在新型儲能系統(tǒng)中，鋰硫電池憑借極高的理論能量密度獨占鰲頭，其理論比容量為1675mAhg-1，理論能量密度高達2600Whkg-1，是鋰離子電池的3-5倍[3,4]。更為重要的是，盡管目前鋰離子電池已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化，但是不可否認的是受限于材料選擇的桎梏以及工業(yè)化成本的考慮，目前鋰離子電池的實際能量密度可能已經(jīng)接近其上限，再次取得關(guān)鍵性突破的可能性比較小，很難滿足未來的供能需求，因此具備高能量密度特性的鋰硫電池更是成為了研究熱門。同時，硫在我國儲量豐富，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)時無需考慮成本問題，此外鋰硫電池還具有安全無毒、對環(huán)境友好等優(yōu)點，正是上述種種原因使得鋰硫電池成為了未來儲能系統(tǒng)的重要候選者之一[5]。圖1-1鋰硫電池在電動汽車等方面的應(yīng)用。圖1-1鋰硫電池在電動汽車等方面的應(yīng)用。1.2鋰硫電池基本介紹1.2.1鋰硫電池的組成結(jié)構(gòu)圖1-2鋰硫電池基本結(jié)構(gòu)。圖1-2鋰硫電池基本結(jié)構(gòu)。鋰硫電池的結(jié)構(gòu)一般包括硫正極、電解液、鋰負極與隔膜（如圖1-2）。鋰硫電池的正極主要包含硫顆粒、集流體、粘結(jié)劑以及提高整體導(dǎo)電性能的碳材料等不同組分。其中硫單質(zhì)作為儲能介質(zhì)，通過吸收電子以及與鋰離子的氧化還原反應(yīng)作用釋放能量，完成電池的充放電過程。一般來講鋰硫電池正極的要求包括高比容量、高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及高導(dǎo)電性等等，僅靠簡單的硫碳混合設(shè)計很難滿足實用化的要求，因此目前許多研究人員也會選擇在正極中加入催化劑從而促進硫的反應(yīng)動力學(xué)并且抑制枝晶生長，從而保持電池正極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等等[6,7]。此外目前同樣有研究表明通過鋰的脫嵌機制能夠從不同機理進一步提升電池的放電比容量，進一步優(yōu)化電池性能[8]。不幸的是，由于硫的高理論比容量，因此正極對于電池的理論能量密度有著決定性的作用，在考慮構(gòu)造優(yōu)秀硫宿主的同時，如何減少正極整體質(zhì)量，提高電池的能量密度仍然是一個十分困難的問題。鋰硫電池的負極一般為金屬鋰片，鋰金屬的還原能力比較強，因此鋰電池負極非常容易與溶解穿梭的多硫化物發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致鋰的不均勻沉積，對電池的使用安全造成巨大的影響，目前研究人員選擇在負極上添加各種涂層以盡量保證負極鋰枝晶生長均勻，提升電池安全性[9,10]。鋰硫電池的電解液溶劑為體積比1：1的1，3-二氧戊環(huán)（DOL）/乙二醇二甲醚（DME），電解質(zhì)為雙三氟甲基磺酰亞胺鋰（LiTFSI），添加劑為質(zhì)量分數(shù)2%的LiNO3。與鋰離子電池不同的是，鋰硫電池的電解液一般只會選用LiTFSI作為鋰鹽，這是因為LiFSI對作為集流體的鋁箔具有很強的腐蝕性，這在一定程度上抑制了LiFSI在鋰硫電池中的發(fā)展[11]。除此之外，許多研究人員也會向電解液中加入諸如MTBE等添加劑以提高鋰鹽的溶解度，減少中間產(chǎn)物多硫化鋰（LiPSs）的溶解度，避免溶劑化結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)[12]。另外值得一提的是，超輕電解液作為新的發(fā)展方向，在提高電池能量密度，推動鋰硫電池商業(yè)化發(fā)展方面有著巨大的作用，也是目前的研究重點之一[13,14]。鋰硫電池的隔膜一般使用電絕緣的高分子材料，比如聚丙烯隔膜等等，一般研究人員希望隔膜具有優(yōu)秀的機械穩(wěn)定性，能夠承受電池充放電過程中產(chǎn)生的應(yīng)力與變化。同時對隔膜而言良好的離子傳輸性能也是必不可少的，因此孔隙度是非常重要的指標，隔膜上的孔洞必需保證鋰離子在充放電過程中能夠自由地在正負極之間移動，這有助于維持電池的高能量密度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，但是也要防止電池電極直接接觸，避免出現(xiàn)電池短路等情況。1.2.2鋰硫電池的工作原理與傳統(tǒng)的一次電池或者鋰離子電池不同，鋰硫電池的放電過程涉及到了非常復(fù)雜的物相轉(zhuǎn)換，其中硫單質(zhì)（S8）首先會捕獲電子生成S82-，再與鋰離子反應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N可溶性中間產(chǎn)物（Li2Sx，2≤x≤8）貫穿整個反應(yīng)過程，最終生成Li2S，值得注意的是鋰硫電池是先放電再充電，其工作窗口為1.7-2.8V[15,16]。目前科學(xué)界一般將放電過程分為固-液-固三個階段，其中典型恒流放電曲線由兩個平臺組成。第一個轉(zhuǎn)變過程為S8開環(huán)還原生成長鏈Li2S8，對應(yīng)的反應(yīng)過程為S8+2e-→S82-，第二個轉(zhuǎn)變過程為可溶性的Li2S8接收電子被還原成多硫化物Li2Sx（4≤x≤6），對應(yīng)的反應(yīng)過程為：3S82-+2e-→4S62-和2S62-+2e-→3S42-，這兩個過程的放電平臺的理論電壓值約為2.3V，同時其反應(yīng)動力學(xué)普遍較好，理論放電比容量為419mAhg-1，對硫容量的理論貢獻為1/4。第三個轉(zhuǎn)變過程對應(yīng)的反應(yīng)過程為：S42-+2e-→2S22-和S22-+2e-→2S2-，該階段放電平臺的理論電壓值在2.1V左右，由于固態(tài)的短鏈硫化物（Li2S2與Li2S）傳輸能力相對較差，因此該階段反應(yīng)遲緩，但其理論放電比容量為1256mAhg-1，對硫容量的貢獻達到3/4，由此被認為是鋰硫電池轉(zhuǎn)化動力學(xué)的關(guān)鍵步驟。至于充電過程則與放電過程完全相反，多硫化物會被氧化成硫單質(zhì)，電極重新回到放電前的狀態(tài)。當然由于鋰硫電池放電過程極為復(fù)雜，目前也有研究人員認為硫的歧化反應(yīng)貢獻了鋰硫電池的絕大部分容量，但是這些內(nèi)容目前還沒有決定性的證據(jù)，仍然有待在未來繼續(xù)去深入探索[17]。圖圖1-3鋰硫電池的工作原理。1.2.3鋰硫電池面臨的挑戰(zhàn)相比于目前實用化的能源體系，盡管鋰硫電池依靠著種種優(yōu)點展現(xiàn)出了光明的應(yīng)用前景，但不可否認的是目前鋰硫電池仍然處于實驗室階段，距離商業(yè)化還有許多問題亟需解決。（1）穿梭效應(yīng)，簡單來講就是充放電循環(huán)過程中多硫化物在正負極之間往復(fù)遷移的現(xiàn)象。當電池放電時，S8會轉(zhuǎn)化成Li2Sx（4≤x≤8），這些中間產(chǎn)物會大量溶解在DME-DOL電解液中，穿過隔膜遷移到鋰負極并發(fā)生反應(yīng)，這種行為會導(dǎo)致電池出現(xiàn)自充放電的情況，造成電池性能下降、壽命縮短等問題。（2）活性物質(zhì)循環(huán)過程中的體積變化問題。S到Li2S的轉(zhuǎn)變會使正極會發(fā)生近80%的體積變化（2.07gcm-3→1.66gcm-3），導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)塌縮，產(chǎn)生有害的應(yīng)力和應(yīng)變，造成活性物質(zhì)脫落、電池性能衰退等等諸如此類嚴重的后果，對鋰硫電池的長效效應(yīng)產(chǎn)生巨大的威脅。（3）單質(zhì)硫與放電產(chǎn)物硫化鋰導(dǎo)電性較差。室溫下硫本身的導(dǎo)電性能比較差，僅為5×10-30Scm-1，這對于電子傳輸有非常嚴重的阻礙作用，會造成電池內(nèi)部阻抗大幅增加，嚴重限制了鋰硫電池的電化學(xué)性能，因此研究人員正在嘗試加入導(dǎo)電性優(yōu)良的添加劑以提升電子傳輸能力，然而正如上文所述如何維持合適的能量密度至今仍然無法解決。（4）“雙低”問題，即低的單位面積硫負載量及低的硫含量。高硫負載量很容易導(dǎo)致電池穩(wěn)定性下降，這大大限制了鋰硫電池的實際放電容量，也是導(dǎo)致鋰硫電池遲遲未能達到滿意的實用化條件的罪魁禍首，嚴重阻礙了商業(yè)化進程發(fā)展。（5）鋰負極的腐蝕問題。和前文所講的一樣，鋰金屬本身是非?；顫姷脑?，而充放電過程中的多硫化物又處于氧化狀態(tài)，兩者很容易互相接觸發(fā)生反應(yīng)，而這種反應(yīng)的產(chǎn)物會在負極表面形成不均勻的枝晶，嚴重時甚至會出現(xiàn)電池短路的情況[18,19,20]。圖1-4鋰硫電池的缺點。圖1-4鋰硫電池的缺點。1.3鋰硫電池隔膜修飾研究1.3.1物理限制在隔膜修飾領(lǐng)域中，引入碳基材料進行被證明是行之有效的方法，碳材料的加入能夠大幅提升膈膜導(dǎo)電性，提高隔膜對于LiPSs的束縛能力，可觀地抑制穿梭效應(yīng)。在2009年Nazar等人首次提出將硫封裝在介孔結(jié)構(gòu)的CMK-3中，率先制備出引入碳材料的鋰硫電池，掀起了鋰硫電池領(lǐng)域?qū)τ谔疾牧系难芯繜岢盵21]。Manthiram課題組設(shè)計了硫正極極片-微孔碳紙（MCP）-普通隔膜的電池結(jié)構(gòu)，經(jīng)過觀察可以發(fā)現(xiàn)，MCP具有高度多孔性，因此能夠保證電解液充分滲透浸潤在材料中；此外，經(jīng)過孔徑分析與微觀圖像拍攝，多硫化物被完全限制在了MCP中，沒有形成大的絕緣S/Li2S無活性層，促進了鋰硫電池循環(huán)性能的提升[22]。隨著研究的深入，比較著名的碳材料有碳納米管（CNTs），除了高導(dǎo)電性之外，碳納米管還擁有著高比表面積、高機械強度等優(yōu)勢，例如使用了TiO2/MWCNT涂層隔膜的電池具有1527mAhg-1的高初始放電比容量，0.5C下每圈容量衰減率僅為0.14％，然而由于硫與碳納米管的接觸不夠穩(wěn)定，因此使用CNT正極的電池的放電容量可能會受到限制[23]。當然還有其它的碳材料諸如石墨烯、碳球等等也都在鋰硫電池行業(yè)中有著優(yōu)秀的表現(xiàn)[24]。此外還有一部分研究人員利用生物碳質(zhì)材料比如竹子、稻殼制備可用于電池正極改性的碳材料，為鋰硫電池行業(yè)的綠色發(fā)展提供了意義非凡的經(jīng)驗[25,26]。1.3.2化學(xué)吸附僅僅通過改變碳材料的結(jié)構(gòu)是很難進一步解決穿梭效應(yīng)的，碳組分的吸附能力始終是有限的，而且僅靠物理限制制備具有高穩(wěn)定性的鋰硫電池更是無稽之談。因此，為了更高效更穩(wěn)固地提升電池性能，解決商業(yè)化問題，通過摻雜極性異質(zhì)原子從而對多硫化物進行化學(xué)吸附成為了一種嶄新的思路。在Li等人利用密度泛函理論（DFT）提出的雜原子摻雜碳材料原則中，孤對電子是必不可少的，同時摻雜原子的電負性必需高于碳材料以便吸引鋰離子，其次離域π鍵和穩(wěn)定的化學(xué)鍵要分別能夠在摻雜原子與相關(guān)的共軛體系之間以及摻雜原子與碳平面之間形成，根據(jù)上述內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，N和O元素由于其電子分布產(chǎn)生偶極矩，依靠靜電相互作用促使多硫化物與碳材料之間產(chǎn)生更牢固的鍵合，從而有效錨定了多硫化物，使得鋰硫電池展現(xiàn)出良好的工作性能與長效效應(yīng)，成為了摻雜的首選元素[27]。Wang等人就通過X射線吸收近邊緣結(jié)構(gòu)光譜（XANES）和密度泛函理論計算，系統(tǒng)地研究了在碳材料中摻雜N對促進LiPSs固定的作用，簡單來講，在碳材料的多孔特性與N摻雜的協(xié)同作用下，鋰硫電池能夠展現(xiàn)出不俗的電化學(xué)性能，這是因為活性硫可以均勻滲透到N摻雜的介孔碳孔隙中，對穿梭效應(yīng)起到了一定的抑制作用[28]。另外雜原子摻雜比如N和P，N和B等等的組合也能夠促進多硫化物轉(zhuǎn)化，減少穿梭效應(yīng)的影響[29]。1.3.3催化轉(zhuǎn)化盡管吸附作用已經(jīng)被證明是抑制穿梭效應(yīng)的重要手段，但是考慮到實用條件下電池工作時間長、工作強度高等情況，單純依靠吸附作用同樣難以保證電池長久穩(wěn)定的運行狀態(tài)，各種催化劑也因此應(yīng)運而生，值得一提的是，這些催化劑在微觀結(jié)構(gòu)下多以納米尺寸的形式存在，在與導(dǎo)電碳混合后均勻負載在電池內(nèi)部參與反應(yīng)調(diào)控，其中金屬硫化物、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬磷化物等材料更是層出不窮[30,31,32,33]。Cai等人提出了使用Co-W雙金屬碳化物（Co3W3C@C）對隔膜進行修飾改性（如圖1-5所示）。經(jīng)過實驗檢測，Co3W3C@C不僅能夠表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的電子電導(dǎo)率，而且起到了作為阻擋多硫化物穿梭的物理屏障的作用，此外，Co3W3C@C納米顆粒還能提供大量的活性位點從而吸附多硫化物，促進多硫化鋰轉(zhuǎn)變，增強電極的氧化還原動力學(xué)[34]。此外，在非金屬材料中，無金屬紅磷(RP)是非常具有代表性的一種材料，當其被應(yīng)用于電極材料時，RP除了能夠利用酸堿作用對LiPSs進行錨定之外，副產(chǎn)物Li3PO4會在電池工作過程中生成，這種具有高導(dǎo)電能力的成分能夠提高整體的離子遷移能力，保證了電池優(yōu)秀的電化學(xué)性能[35]。1.4課題設(shè)計本課題參考了目前鋰硫電池隔膜修飾的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)鉬基材料由于其晶體結(jié)構(gòu)易于調(diào)控、表面電子態(tài)豐富等優(yōu)點成為高度優(yōu)選的研究材料，被認為是提高鋰硫電池性能最有前途的候選者之一（如圖1-5）[36]。然而，受限于鋰硫電池中復(fù)雜的物相變化，目前大多數(shù)研究結(jié)果表明使用單一材料作為催化劑的效果始終是有限的，相反，利用雙催化活性材料的協(xié)同作用提高電池性能的嘗試已經(jīng)被證明是成功的，比如MoS2/NiS2正極、Fe3O4正極-FeP隔膜等等[37,38,39]。而在眾多鉬基材料中，碳化鉬及其衍生物憑借高催化活性、低成本和良好的導(dǎo)電性成為了研究熱門之一，其中Li等人制備了嵌套在N摻雜碳納米纖維中的鏈狀碳化鉬(MoC@N-CNF)，實現(xiàn)電子和離子的快速傳遞，有力證明了MoC材料的高催化能力；而Huang等人提出了將碳化二鉬納米顆粒錨定在碳納米管上的設(shè)想，利用碳化二鉬的高吸附能力制備出了高性能鋰硫電池，分別展現(xiàn)出MoC與Mo2C的良好性能[40,41]。因此，基于上述思路本工作設(shè)計并制備了MoC-Mo2C異質(zhì)結(jié)材料，借助于兩種價態(tài)鉬元素在鋰硫電池中不同的催化吸附能力以及對不同階段多硫化鋰氧化還原反應(yīng)的促進作用，利用MoC與Mo2C相互耦合產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，雙管齊下多維度增強鋰硫電池電化學(xué)性能[42]。相比于單獨的MoC或者Mo2C材料，MoC-Mo2C異質(zhì)結(jié)材料的綜合電化學(xué)性能遠遠超過對比樣的電化學(xué)表現(xiàn)，具有單組分材料無法達到的物理和化學(xué)性能。圖1-5鉬基材料的分類與其在鋰硫電池領(lǐng)域中的應(yīng)用思路。圖1-5鉬基材料的分類與其在鋰硫電池領(lǐng)域中的應(yīng)用思路。第2章實驗材料與方法2.1實驗試劑與儀器本實驗所用試劑及耗材如表2-1，所有試劑購買后，未經(jīng)任何純化即可使用。表2-1實驗試劑及耗材實驗試劑及耗材分子式純度生產(chǎn)廠家四水合鉬酸銨(NH4)2Mo2O4·4H2O分析純上海滬試實驗試劑有限公司鹽酸多巴胺C8H11NO2·HCL（HCl-PDA）98%上海麥克林生化科技股份有限公司無水乙醇C2H5OH分析純永華化學(xué)股份有限公司氨水NH3·H2O28%-30%上海阿拉丁生化科技股份有限公司乙二醇二甲醚DME分析純上海阿拉丁生化科技股份有限公司聚偏氟乙烯(PVDF)-(CH2-CF2)n-優(yōu)級純蘇州多多化學(xué)科技有限公司N-甲基吡咯烷酮(NMP溶劑)C5H9NO分析純上海阿拉丁生化科技股份有限公司乙炔黑C電池級山西力之源電池材料有限公司金屬鋰箔Li電池級天津中能鋰業(yè)有限公司隔膜Celgard2500電池級蘇州多多化學(xué)科技有限公司醚類電解液LS-009電池級蘇州多多化學(xué)科技有限公司升華硫S99.999%上海阿達瑪斯試劑有限公司涂炭鋁箔Al/C電池級廣東燭光新能源科技有限公司本實驗所用儀器情況如表2-2所示。儀器名稱型號生產(chǎn)廠家電子天平FA2204N瑞士梅特勒-托利多真空干燥箱ADP310C日本YAMATO手套箱UNIVERSAL米開羅那（中國）有限公司扣式電池切片機MSK-T10合肥科晶材料技術(shù)有限公司管式爐BTF-1200C-II安徽貝意克設(shè)備技術(shù)有限公司超聲清洗機SB-4200DTD寧波新芝生物科技股份有限公司紫外可見分光光度計Lambda750珀金埃爾默電化學(xué)工作站CHI660E上海辰華儀器有限公司藍電電池測量系統(tǒng)CT2001A武漢市藍電電子股份有限公司掃描電子顯微鏡G500德國ZEISS透射電子顯微鏡TALOS200XThermoFisherScientificX射線衍射儀Empyrean荷蘭帕納科扣式電池封口機MSK-110合肥科晶材料技術(shù)有限公司表2-2實驗使用的儀器表2-2實驗使用的儀器2.2MoC、MoC-Mo2C與Mo2C材料的制備與表征2.2.1MoC、MoC-Mo2C與Mo2C材料的制備首先用干凈的量筒量取70mL的去離子水，將其倒于大燒杯中。再利用電子天平向上述燒杯中加入250mg的(NH4)2Mo2O4·4H2O，之后將其放在攪拌臺上以600r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10min。之后向燒杯中加入300mg的HCL-PDA并攪拌30min，此時溶液顏色會變成純凈的酒紅色。時間滿足后向每個燒杯中加入150mL的無水乙醇，注意如果在這30min內(nèi)溶液提前變渾濁則提前加入等量的無水乙醇，此時溶液中會出現(xiàn)淺橙色沉淀，待其攪拌5min后再用移液槍加入0.4mL的氨水，繼續(xù)攪拌2h使物質(zhì)均勻分散，最終溶液呈深紅色。將所有前驅(qū)體溶液以8000r/min的速率離心2min，最后按相同的離心條件用無水乙醇清洗兩次，結(jié)束后倒出廢液，將離心管送至烘箱烘干，即可得到橙色的Mo-PDA粉末。接下來將上述產(chǎn)物充分研磨，每次稱取400mg的材料放入管式爐中在Ar氛圍下先升溫至450℃保溫2h，再升溫至850℃煅燒4h，即可得到主體樣MoC-Mo2C材料，對比樣MoC和Mo2C只需要在主體樣MoC-Mo2C的制備基礎(chǔ)上將煅燒溫度分別調(diào)整至800℃和900℃即可。需要注意的是樣品煅燒完成后需要等待24h以上，否則樣品有可能會與空氣反應(yīng)，發(fā)生燃燒的化學(xué)現(xiàn)象，導(dǎo)致氧化物的產(chǎn)生，造成樣品污染的后果。2.2.2MoC、MoC-Mo2C與Mo2C材料的表征（1）掃描電子顯微鏡（SEM）SEM將電子束投射在樣品表面，電子束會與材料原子或分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生俄歇電子等粒子，SEM就會利用收集器收集這些粒子并轉(zhuǎn)化成信號圖像，幫助觀察材料的表面狀態(tài)與微觀形貌。同時SEM配有X射線能譜儀（EDX），EDX系統(tǒng)同樣會收集碰撞后的X射線，并將它們分析成元素的能譜，從而確定樣品的元素組成與分布。在本工作的SEM的制樣中，先取出少量的主體樣以及對比樣材料，將其溶于少量的無水乙醇中并使用超聲機幫助材料更均勻地分散在乙醇溶液中，之后滴在鋁片正面等待乙醇揮發(fā)完畢。（2）X射線衍射儀（XRD）XRD是一種用于研究晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)，當X射線通過晶體時，它們會與分子或原子產(chǎn)生相互作用導(dǎo)致X射線散射。根據(jù)布拉格定律2dsinθ=nλ，θ與λ和d均有關(guān)，因此根據(jù)衍射的強度和位置，通過對比標準卡片數(shù)據(jù)，在得知入射X射線波長的情況下，可以計算出晶格常數(shù)等數(shù)據(jù)，從而進一步推斷出樣品中的晶體結(jié)構(gòu)以及晶體取向等等。XRD檢測的樣品制備比較簡單，只需將足量的材料倒在干凈的玻璃片凹槽內(nèi)，再用干凈光滑的玻璃板擠壓保證材料嚴實緊密即可。（3）透射電子顯微鏡（TEM）TEM將經(jīng)過加速和聚集的電子束照射到超薄的樣品上以收集信息，能夠提供比SEM更高分辨率的微觀結(jié)構(gòu)圖像，當電子束通過樣品時它會與樣品中的原子或分子發(fā)生碰撞，而直接穿過樣品的電子才能進入成像系統(tǒng)，產(chǎn)生透射電子顯微圖像。TEM具有非常高的分辨率，可以達到亞埃級別，這意味著它可以分辨非常精細的結(jié)構(gòu)與特征，例如晶格、原子與分子等等。在本工作中，取出少量的主體樣以及對比樣材料，將其溶于少量的無水乙醇中并使用超聲機幫助材料更均勻地分散在乙醇溶液中，之后滴在銅網(wǎng)上等待乙醇揮發(fā)完畢完成制樣操作。（4）紫外可見吸收光譜（UV-vis）UV-Vis吸收光譜是通過測量物質(zhì)對紫外和可見光的吸收程度來獲得的。當物質(zhì)暴露在光束中時，如果吸收的光子能量與電子躍遷的能量差相匹配，那么該電子會發(fā)生躍遷，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。因此在測量吸收光譜時，可以用一定波長范圍內(nèi)的光線通過樣品，測量樣品對不同波長光線的吸收程度。在典型的紫外光譜圖像中吸收峰的位置和強度均可反映樣品的吸收特性，另外吸收峰的位置通常用于確定物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能基團。本工作先按1：5的摩爾比混合Li2S和S并將其溶于DME中，然后通過攪拌制備出深棕色的濃度為0.5M的Li2S6溶液，再稱取30mg的材料放于玻璃瓶中，向其中加入2mL以7：500的比例稀釋后的Li2S6溶液（140μL的0.5M的Li2S6溶液與10mL的DME溶液），靜置后取上清液拍照并進行UV-vis測試。2.3電池組裝與測試2.3.1電池極片與修飾隔膜的制備傳統(tǒng)鋰硫電池的正極極片以購買的涂碳鋁箔為基底，先利用電子天平分別稱取70mg的S、20mg的碳與10mg的PVDF按7：2：1的質(zhì)量比研磨均勻，再加入1mL的NMP溶液充分混合形成勻漿。之后利用涂覆器將勻漿涂于涂炭鋁箔上，涂膜厚度為25μm，接著將其放入60℃烘箱干燥，完成后再拿切片機裁剪至直徑12mm的圓片，挑選出質(zhì)量處于6.1-6.5mg范圍內(nèi)的極片。對稱電池的極片的組成成分與傳統(tǒng)正極極片完全不同，先利用電子天平分別稱取90mg的MoxC材料與10mg的PVDF按9：1的質(zhì)量比研磨均勻，再加入適量的NMP溶液充分混合形成勻漿。之后利用涂覆器將勻漿涂于涂炭鋁箔上，涂膜厚度為10μm，接著將其放入60℃烘箱干燥，完成后再拿切片機裁剪至直徑12mm的圓片。高負載電池的極片同樣要求不同的物質(zhì)配比，先將碳布烘干，再利用電子天平分別稱取90mg的硫單質(zhì)與10mg的石墨烯材料按9：1的質(zhì)量比研磨均勻，再加入無水乙醇充分混合形成勻漿，利用滴管逐滴滴在碳布上并稱量，保證硫負載處于7-8mg的范圍內(nèi)，完成后放入60℃烘箱干燥。改性隔膜的制備同樣刮刀涂覆法制備，先利用電子天平分別稱取140mg的主體樣以及對比樣，40mg的碳與10mg的PVDF按7：2：1的質(zhì)量比研磨均勻，再加入2mL的NMP溶液充分混合形成勻漿。之后利用涂覆器將勻漿涂于普通隔膜上，涂膜厚度為14μm，接著將其放入60℃烘箱干燥整晚，完成后再拿切片機裁剪至直徑為19mm的圓片。2.3.2扣式電池的組裝本工作所測試的鋰硫電池是標準的2032扣式電池，應(yīng)在Ar氛圍手套箱中組裝，注意要保證O2和H2O的含量均低于0.1ppm，將各種耗材按照2032正極殼、正極極片、30μL成分為含2%LiNO3的1MLiTFSI-DME/DOL（V：V=1：1）的電解液（LS-009電解液）、一層改性隔膜、一層普通隔膜、鋰金屬負極、墊片、彈片與2032負極殼的順序進行組裝。2.3.3電池電化學(xué)性能測試循環(huán)伏安（CV）測試在CHI660E電化學(xué)工作站進行，對于普通鋰硫電池先以0.1mVs-1的速率掃描三個周期，再以0.2、0.3、0.4、0.5mVs-1的速率分別掃描一個周期，電壓范圍為1.7-2.8V，可以通過對反應(yīng)電流的大小以及放電充電峰的位置進行分析，評估電池氧化還原反應(yīng)動力學(xué)，再通過對掃速速率的平方根和電流峰值進行擬合，計算鋰離子擴散能力。對于對稱電池的CV測試其測試電壓范圍調(diào)整至-1-1V，具體程序為先以1mVs-1的速率掃描三個周期，再分別以5、10、20、50、100mVs-1的掃描速率掃描兩個周期，完成后取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)并繪制實驗圖像。另外CHI660E電化學(xué)工作站還可用于電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試，EIS測試可用于分析界面電荷傳輸?shù)淖杩梗瑱z測材料的導(dǎo)電性能，本工作測試的頻率范圍為0.1Hz到100kHz。恒流充放電測試在藍電CT2001A電池測試系統(tǒng)進行，電壓范圍為1.7-2.8V，在設(shè)置好相應(yīng)的充放電程序后裝入電池進行檢測，通過計算電池的比容量以及其余電化學(xué)參數(shù)，繪制相應(yīng)的放電比容量以及庫倫效率在不同圈數(shù)下的變化曲線能夠評估使用不同修飾隔膜的鋰硫電池的循環(huán)性能與倍率性能，探究三種材料對于電池電化學(xué)性能的提升效果。第3章 實驗結(jié)果與討論3.1材料的形貌結(jié)構(gòu)分析500nm500nm500nmCCMoMojheagMoCd500nm500nm500nmCCMoMojheagMoCd圖3-1(a)MoC(b)MoC-Mo2C(c)Mo2C的SEM圖像；(d)MoC(e)MoC-Mo2圖3-1(a)MoC(b)MoC-Mo2C(c)Mo2C的SEM圖像；(d)MoC(e)MoC-Mo2C(f)Mo2C中C的EDX圖像；(g)MoC(h)MoC-Mo2C(j)Mo2C中Mo的EDX圖像。fcb為了探究材料的微觀形貌與結(jié)構(gòu)，本工作對三種材料進行了SEM表征（如圖3-1）。從SEM圖像可以發(fā)現(xiàn)三種材料均呈現(xiàn)出球形結(jié)構(gòu)，同時三種材料的球體表面遍布徑向生長的納米片，基本符合空心納米花狀的結(jié)構(gòu)設(shè)想，根據(jù)比例尺Mo2C擁有最小的尺寸以及最大的比表面積。此外，本工作還借助SEM儀器中的EDX系統(tǒng)對材料表面主要元素C和Mo的分布進行了檢測，可以看到無論是鉬元素還是碳元素都均勻分布在材料球形結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的區(qū)域，沒有出現(xiàn)團聚、離散等現(xiàn)象，表明合成材料形貌較好，物相分布均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定單一。圖3-2MoC、MoC-Mo圖3-2MoC、MoC-Mo2C與Mo2C的XRD圖像。為了確保材料成分準確，本工作還對三種材料進行了XRD檢測。從圖3-2可以發(fā)現(xiàn)，純MoC材料以及純Mo2C材料的特征峰分別出現(xiàn)在39.53°以及36.41°，與標準卡片上的數(shù)值相對應(yīng)，而MoC-Mo2C材料囊括了全部的特征峰，進一步證明了主體樣中MoC與Mo2C的共同存在。baba0.244nmMoC(111)0.244nmMoC(111)0.229nm0.229nmMo2C(111)圖3-3MoC-Mo圖3-3MoC-Mo2C的(a)TEM圖像；(b)反傅里葉變換處理后的圖像。為了更加細致地觀察晶體結(jié)構(gòu)，本工作利用TEM對主體樣進行了檢測。將圖3-3a白色方框內(nèi)的圖像進行反傅里葉變換得到高清晰度圖像3-3b，通過測量與計算可以得出晶格間距分別為0.224nm與0.229nm，對應(yīng)于MoC與Mo2C（111）平面的晶格常數(shù)，充分證明了主體樣中兩種材料相互耦合，形成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。eB峰C峰dC峰C峰B峰B峰A峰A峰cba3.2鋰離子擴散動力學(xué)分析eB峰C峰dC峰C峰B峰B峰A峰A峰cbaA峰A峰圖3圖3-4以(a)MoC(b)MoC-Mo2C(c)Mo2C隔膜組裝的電池在不同掃速下的CV曲線；(d)對應(yīng)的氧化還原峰的線性擬合曲線；(e)根據(jù)擬合結(jié)果計算的鋰離子擴散系數(shù)。電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)是影響多硫化物氧化還原轉(zhuǎn)化的一個重要因素，因此本工作首先通過不同掃描速率下（從0.1到0.5mVs-1）的CV測試研究了使用MoC、MoC-Mo2C、Mo2C修飾隔膜的鋰硫電池的鋰離子擴散動力學(xué)（圖3-4a，b，c）。圖中正極峰代表充電過程（峰A），兩個陰極峰分別代表S8被還原成多硫化物（峰B）與多硫化物被還原成硫化鋰（峰C）的放電過程，對比縱坐標與峰的高度我們可以發(fā)現(xiàn)在相同的掃描速率下，主體樣對應(yīng)的鋰硫電池表現(xiàn)出了更高的響應(yīng)電流，表明該復(fù)合材料用于修飾電池隔膜時擁有更高的氧化還原動力學(xué)。另外從圖3-4d可以發(fā)現(xiàn)，電池在不同掃速下的峰值電流基本與掃描速率的平方根呈線性關(guān)系，因此可以通過Randles-Sevcik方程得到Li+的擴散系數(shù)：Ip=2.69×105×n1.5×A×D0.5Li+×CLi+×υ0.5，其中Ip為峰值電流，n為參與電化學(xué)反應(yīng)的電子數(shù)2，A為有效電極面積1.13cm-2，DLi+為鋰離子擴散系數(shù)，CLi+為電解液中鋰離子濃度1M，υ為掃描速率[43]。具體結(jié)果如圖3-4e與表3-1所示，可以發(fā)現(xiàn)主體樣的擴散系數(shù)在A峰、B峰與C峰分別為5.18×10-7、2.91×10-7與3.48×10-7cm2S-1，均高于其余兩個對比樣的擴散系數(shù)，表明鋰離子在MoC-Mo2C材料中表現(xiàn)出更好的擴散能力，擴散阻礙更小，因此能夠提升鋰硫電池電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。樣品名稱DLi+(cm2S-1)峰A峰B峰CMoC3.63×10-71.88×10-73.09×10-7MoC-Mo2C5.18×10-72.91×10-73.48×10-7Mo2C4.25×10-72.34×10-73.17×10-7表3-1表3-1應(yīng)用不同修飾隔膜的鋰硫電池的鋰離子擴散系數(shù)

圖3-5圖3-5以MoC,MoC-Mo2C,Mo2C隔膜組裝電池的EIS圖像。為了具體探究不同材料的電化學(xué)阻抗大小，本工作測試并繪制了三種鋰硫電池循環(huán)前的EIS曲線，結(jié)果如圖3-5所示。我們可以發(fā)現(xiàn)使用MoC以及Mo2C修飾隔膜的電池表現(xiàn)出高達83Ω以及59Ω左右的電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)，而使用MoC-Mo2C修飾隔膜的鋰硫電池的Rct僅僅為42Ω左右，遠低于對照組，可見相比于單一組分，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的存在確實極大程度上提升了材料的導(dǎo)電性能，能夠很好地改善電池的電子傳輸能力與電化學(xué)性能。3.3多硫化物吸附及催化轉(zhuǎn)化分析ababcc圖3-6圖3-6MoC,MoC-Mo2C,Mo2C的(a)吸附測試照片；(b)吸附測試圖像；(c)對稱電池測試。隔膜材料對多硫化物的吸附能力對于穿梭效應(yīng)的抑制至關(guān)重要，因此本課題通過吸附實驗和UV-vis光譜測試，驗證了不同材料的化學(xué)吸附效果。如圖3-6a所示，經(jīng)過6h沉淀后空白組玻璃瓶的溶液顏色最深，主體樣與MoC的上層清液難以用肉眼分辨，而Mo2C的溶液顏色最淺。經(jīng)過紫外可見光譜測試后（圖3-6b），可以觀察到四組樣品曲線中存在明顯的多硫化物特征吸收峰，比較峰的強度同樣證明空白組的吸附能力最差，而Mo2C的吸附能力最強，這大概率是由前文提到的Mo2C比表面積大導(dǎo)致的。此外從主體樣材料對應(yīng)的紫外曲線來看多硫化物的特征峰強度適中，有力證明了盡管肉眼無法辨別，但是MoC-Mo2C材料的吸附能力的確是強于MoC的。另外眾所周知，鋰硫電池在放電過程中硫的氧化還原反應(yīng)會涉及一系列復(fù)雜的液-液、液-固和固-液轉(zhuǎn)變，其中每一步都會對鋰硫電池的氧化還原動力學(xué)會產(chǎn)生巨大的影響。為了探究主體樣以及對比樣在加速不同多硫化物轉(zhuǎn)換方面的催化能力，我們組裝了對稱電池并進行了CV測試（圖3-6c）?？梢钥闯?，與MoC以及Mo2C相比，MoC-Mo2C材料修飾的對稱電池在放電時表現(xiàn)出最高的電流密度，說明主體樣的催化能力最強，使得各種可溶性多硫化物之間的氧化還原轉(zhuǎn)換速率更快、效率更高。值得一提的是盡管在吸附測試中主體樣不如Mo2C材料，但是通過后續(xù)電化學(xué)檢測可以發(fā)現(xiàn)，使用MoC-Mo2C材料修飾隔膜的電池仍然表現(xiàn)出更好的性能，結(jié)合對稱電池中MoC比abMo2C更高的峰值電流，我們可以初步認為在主體樣中Mo2C提供強吸附位點，而MoCecd25.87mVdec-124.96mVdec-119.58mVdec-1abecd25.87mVdec-124.96mVdec-119.58mVdec-1114.95mVdec-1105.02mVdec-183.97mVdec-152.31mVdec-145.25mVdec-142.84mVdec-1ee圖3-7圖3-7(a)以MoC,MoC-Mo2C,Mo2C修飾隔膜組裝的電池的CV曲線；鋰硫電池在(b)固液還原過程；(c)液固還原過程；(d)固液氧化過程中的Tafel斜率圖像；(e)硫化鋰形成和溶解的活化能。為了進一步說明不同材料對于多硫化物的催化效果，本工作選取了圖3-4中在0.1mVs-1掃速下的CV數(shù)據(jù)繪制了電流-電壓圖像（圖3-7a）。圖像證明了使用三種材料修飾隔膜的電池均表現(xiàn)出了典型的鋰硫電池充放電曲線，即2.2V-2.4V的第一個陰極峰，1.9V-2.1V的第二個陰極峰以及2.2V-2.4V的陽極峰，與上文提到的一樣，這分別對應(yīng)于硫的兩步還原生成硫化鋰和硫化鋰可逆氧化生成硫的過程。經(jīng)過對比我們可以發(fā)現(xiàn)相比于兩種對比樣，主體樣電池的兩個陰極峰均有輕微的正移，而且電池擁有更高的電流密度，此外陽極峰也表現(xiàn)出了更快的起峰趨勢與更高的響應(yīng)電流，表明電池放電過程中擁有最高的氧化還原轉(zhuǎn)換動力學(xué)。此外總體來看MoC-Mo2C材料修飾的電池充放電電壓差距更小，電池極化減弱，有利于促進多硫化物的催化轉(zhuǎn)化。值得注意的是在第一個放電峰Mo2C材料的放電電壓相較于MoC材料靠前，第二個放電峰Mo2C卻位于MoC之后，這說明Mo2C材料更傾向于催化長鏈多硫化物，但是對短鏈多硫化物的催化效果不如MoC材料，基于這種結(jié)果，我們還可以對異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的協(xié)同作用提出第二種解釋，即不同材料對于不同階段下多硫化物的催化轉(zhuǎn)化有著不同的效果，兩者共同促進整體反應(yīng)速率，提高電池的電化學(xué)性能。根據(jù)圖3-7b，c，d我們可以發(fā)現(xiàn)無論是在電池的還原過程還是氧化過程中，主體樣的Tafel斜率在第一個陰極峰、第二個陰極峰與陽極峰分別為42.84、19.58與83.97mVdec-1，均小于兩種對比樣在這三個充放電峰處的Tafel斜率，進一步證明了MoC-Mo2C材料對多硫化鋰轉(zhuǎn)化更優(yōu)異的促進作用。此外，Tafel斜率能夠計算出反應(yīng)的相對活化能，從而更加直觀地驗證上述觀點[44,45]。計算公式如下：??a=??a0-????/??????????h??????(Ox│Red)IR，其中Ea為還原氧化過程的活化能，Ea0為本征活化能，b為Tafel圖的斜率，??cathode為不可逆電位。由于本工作的重點在于對比不同材料的性能，因此對三種材料的Ea做差忽略Ea0的影響并繪制圖像3-7e，可以發(fā)現(xiàn)在MoC-Mo2C隔膜修飾的電池中，多硫化鋰第一次還原的活化能比MoC與Mo2C的對比樣分別降低了20.76kJmol-1與5.28kJmol-1，第二次還原的活化能分別降低了12.97kJmol-1與11.1kJmol-1，而氧化過程的活化能則分別降低了66.15kJmol-1與44.95kJmol-1，再次有力證明了主體樣對于多硫化物轉(zhuǎn)換卓越的催化效果。圖3-8以MoC,MoC-Mo2C,Mo2C修飾隔膜組裝的電池的(a)倍率性能圖像；(b)首圈充放電曲線。圖3-8以MoC,MoC-Mo2C,Mo2C修飾隔膜組裝的電池的(a)倍率性能圖像；(b)首圈充放電曲線。ba圖3-8a展示了分別使用MoC、MoC-Mo2C與Mo2C材料進行隔膜修飾的鋰硫電池的倍率性能。由圖可知，在0.2C、0.5C、1.0C、2.0C以及4.0C的倍率下，使用MoC修飾隔膜的電池的放電比容量分別為1022.4、775.8、709.2、626.7與506.5mAhg-1，使用Mo2C修飾隔膜的電池的放電比容量分別為1292.0、1108.1、990.6、836.3與678.7mAhg-1；而引入MoC-Mo2C修飾隔膜后，相同倍率下鋰硫電池的平均放電比容量均有顯著提升，分別為1470.9、1308.6、1187.2、1029.4與882.