锂硫电池硫基碳正极材料及其改性研究进展

综述了锂硫电池存在的问题和碳纤维、碳纳米管、氧化石墨烯、多孔碳四种碳材料的性能以及其在锂硫电池正极中的应用,并探讨了碳材料原位掺杂非金属(C、N、O、B等)和复合各种金属化合物对材料的导电性和对多硫化物吸附性能的影响,以及对锂硫电池循环性能的影响。提出非金属掺杂多孔碳材料复合金属化物作为锂硫电池正极碳材料来降低多硫化物的穿梭效应以及反应过程中的体积膨胀,提高活性物质利用率,进而提高锂硫电池性能。     

锂/硫电池正极材料的改性研究进展

为了解决锂/硫电池中硫基电极材料导电性差且存在着穿梭效应、体积膨胀效应等缺点,人们进行了大量的改性研究。其中,用氮掺杂的多孔碳材料容易对电解液中溶解的多硫化物活性材料进行更好的吸附,从而抑制了锂/硫电池中多硫化物的溶解和迁移而引起的穿梭效应;另外,导电聚合物具有较好的电子导电性,作为硫/碳复合材料的载体,可以提高硫基电极材料的电导率,使锂/硫电池具有更好的循环稳定性。对锂/硫电池硫基复合电极材料的上述2种重要改性方法进行了详述,介绍了在锂/硫电池中的应用研究进展状况,并对上述材料在电化学储能中的应用进行了展望。     

锂硫电池硫基碳正极材料及其改性研究进展

综述了锂硫电池存在的问题和碳纤维、碳纳米管、氧化石墨烯、多孔碳四种碳材料的性能以及其在锂硫电池正极中的应用,并探讨了碳材料原位掺杂非金属(C、N、O、B等)和复合各种金属化合物对材料的导电性和对多硫化物吸附性能的影响,以及对锂硫电池循环性能的影响。提出非金属掺杂多孔碳材料复合金属化物作为锂硫电池正极碳材料来降低多硫化物的穿梭效应以及反应过程中的体积膨胀,提高活性物质利用率,进而提高锂硫电池性能。     

碳纳米管正极载体制备及在锂硫电池中的应用

锂硫电池因其高能量密度,材料来源广泛,成本低廉的优点,使其在下一代动力电池储能体系中,具有很大研究潜力。然而抑制穿梭效应是商业化锂硫电池亟待解决的关键问题。为解决"穿梭效应"严重的问题,我们采用碳纳米管作为正极载体材料,应用在锂硫电池中。碳材料通过范德华力物理吸附多硫化物,起到抑制多硫离子的作用。在0. 5 C电流密度下,首次放电高达980 m Ah/g,在循环100圈后,容量保持在586 m Ah/g。     

石墨烯在锂硫电池中的应用

锂硫电池具有很高的能量密度[2 600(W·h)/kg],其正极材料硫具有储藏丰富、对环境友好等优点,因此锂硫电池成为下一代二次电池的研发重点。然而,硫的高绝缘性、反应过程中体积的变化以及中间产物多硫离子溶解等难题,使其目前很难实现商品化。石墨烯具有超高的导电性和优异的力学性能,其与硫制成的复合材料作为电池正极材料可以有效地解决上述问题。从石墨烯–硫复合材料、石墨烯–碳–硫复合材料、石墨烯–聚合物–硫复合材料、石墨烯–氧化物–硫复合材料等方面出发,总结了石墨烯在锂硫电池中作为正极材料的最新进展,并且提出了未来石墨烯在锂硫电池中应用的研究主要在探索石墨烯简捷的制备方法、研究石墨烯新的应用方式、开发多种材料复合等方面。     

中空硫球-MoS2/rGO材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池凭借高理论能量密度和高理论比容量的优势成为极具发展前景的储能设备。然而,单质硫和硫化锂的绝缘性、放电过程中产生的体积膨胀及多硫化物溶解导致的“穿梭效应”等问题,限制其商业化发展。为解决上述问题,采用低温液相法合成中空硫球（HS）,通过水热法制备纳米花状MoS₂/还原氧化石墨烯（MoS₂/rGO）,随后将MoS₂/rGO包覆在HS表面获得HS-MoS₂/rGO复合正极材料。利用XRD、SEM、TEM、XPS等对该材料的晶体结构、形貌等性质进行表征,采用循环伏安法、交流阻抗法以及恒流充放电对复合正极进行电化学测试。研究表明,MoS₂/rGO对多硫化物具有强吸附能力和高催化活性,能够有效限制多硫化物的穿梭;同时硫球的中空结构能够缓解体积膨胀,保持正极结构稳定。HS-MoS₂/rGO正极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。     

中空硫球-MoS2/rGO材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池凭借高理论能量密度和高理论比容量的优势成为极具发展前景的储能设备。然而,单质硫和硫化锂的绝缘性、放电过程中产生的体积膨胀及多硫化物溶解导致的“穿梭效应”等问题,限制其商业化发展。为解决上述问题,采用低温液相法合成中空硫球（HS）,通过水热法制备纳米花状MoS₂/还原氧化石墨烯（MoS₂/rGO）,随后将MoS₂/rGO包覆在HS表面获得HS-MoS₂/rGO复合正极材料。利用XRD、SEM、TEM、XPS等对该材料的晶体结构、形貌等性质进行表征,采用循环伏安法、交流阻抗法以及恒流充放电对复合正极进行电化学测试。研究表明,MoS₂/rGO对多硫化物具有强吸附能力和高催化活性,能够有效限制多硫化物的穿梭;同时硫球的中空结构能够缓解体积膨胀,保持正极结构稳定。HS-MoS₂/rGO正极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。     

超大容量锂/硫电池硫基复合电极材料的研究进展

锂/硫电池具有高理论容量、高能量密度、原材料丰富而廉价并且对环境污染小等优点,受到了广泛的关注。然而硫电极导电率较低,循环过程中电极体积发生膨胀导致电极材料脱落,以及存在穿梭效应等缺点,从而制约了锂/硫电池的发展。结合近几年锂/硫电池硫基正极复合材料的研究现状,从硫/石墨烯复合电极材料、硫/碳复合电极材料、硫/导电聚合物复合电极材料三个方面进行阐述,介绍了它的研发状况及发展趋势。     

纳米碳/硫复合材料在锂硫电池正极中的应用研究进展

锂硫电池具有高能量密度(2600 Wh·kg~(-1))和高理论比容量(1675 mAh·g~(-1))的优越特性,引起了研究者的极大关注。然而,锂硫电池(LSBs)的商业化应用,仍然面临硫的导电性低、多硫化物的穿梭效应以及充放电过程中体积急剧膨胀等技术阻碍。本文重点介绍了通过开发硫/碳复合电极材料来提高LSBs电化学性能的一些有效策略,对LSBs在未来面临的挑战和发展前景进行了展望。     

碳材料在锂硫电池中的应用研究

随着电动汽车和便携式电子设备的发展,锂硫电池因其高的理论比容量(1 675 m A·h/g)和高的理论能量密度(2 600 W·h/kg)而引起人们的广泛关注,在未来非常有可能成为常用的电源设备。然而,锂硫电池存在较低的离子和电子导电性、较差的循环性以及生成的多硫化物易溶于有机溶剂等缺点,严重制约了锂硫电池的应用。要解决上述问题,提高单质硫的导电性、抑制电极反应中的穿梭效应势在必行,因此如何改良正极材料仍然是研究的关键点。主要总结了近年来各种碳材料在锂硫电池正极材料中的应用研究现状及进展,简要阐述了这些碳材料应用于锂硫电池正极材料中存在的问题及面临的挑战,并对其未来的发展趋势进行了预测。     

Engineering zirconium-based metal-organic framework-801 films on carbon cloth as shuttle-inhibiting interlayers for lithium-sulfur batteries

Lithium-sulfur batteries have been regarded as the next-generation rechargeable batteries due to their high theoretical energy density and specific capacity. Nevertheless, the shuttle effect of lithium polysulfides has hindered the development of lithium-sulfur batteries. Herein, a novel zirconium-based metal-organic framework-801 film on carbon cloth was developed as a versatile interlayer for lithium-sulfur batteries. This interlayer has a hierarchical porous structure, suitable for the immobilization of lithium polysulfides and accommodating volume expansion on cycling. Moreover, the MOF-801 material is capable of strongly adsorbing lithium polysulfides and promoting their catalytic conversion, which can be enhanced by the abundant active sites provided by the continuous structure of the MOF-801 films. Based on the above advantages, the lithium-sulfur battery, with the proposed interlayer, delivers an initial discharge capacity of 927 mAh·g^–1 at 1 C with an extremely low decay rate of 0.04% over 500 cycles. Additionally, a high area capacity of 4.3 mAh·cm^–2 can be achieved under increased S loading.     

锂硫电池正极复合材料研究现状

锂硫电池由于其高理论能量密度(2600W·h/kg)而受到了广泛的关注,是极具应用前景的电池体系.硫基正极材料作为锂硫电池的重要组成部分,是提高电池性能的关键.然而锂硫电池还存在一些问题,如硫的利用率低及正极结构的稳定性差等.本文综述了近几年锂硫电池硫正极复合材料的研究现状,分别从硫/碳复合、硫/导电聚合物复合、硫/氧化物复合3个方面进行介绍,指出了未来锂硫电池正极材料要注意结合硫/导电聚合物及硫/氧化物的优势并注重材料结构的设计,向核壳或类核壳结构方向发展的趋势,同时还要提高载硫量,提高循环稳定性,以获得高性能的锂硫电池.     

锂硫电池功能化粘合剂研究进展

随着可持续能源的发展和电子设备及电动汽车对储能设备性能要求的不断提高，高能量密度的锂硫电池体系受到了广泛关注。当前锂硫电池仍然面临单质硫和其放电产物的电子绝缘性、多硫化物的“穿梭效应”和循环过程中体积形貌的变化等科学与技术问题，阻碍其实际应用。针对锂硫电池的上述瓶颈，设计多功能粘合剂有望提升活性材料的利用效率及循环寿命。本文在近年来研究的基础上综述了锂硫电池中粘合剂的研究进展，具有包括面向抑制副反应的粘合剂、面向稳定电极片的多维度粘结的粘合剂和面向低界面电阻的粘合剂，并展望了锂硫电池多功能粘合剂面临的科学挑战和未来发展的机遇。     

石墨烯基自支撑夹层材料在锂硫电池中的研究进展

近年来，高比能锂-硫电池作为最具前景的新能源储存装置之一引起了人们的广泛关注。然而，在该电池体系中，中间产物聚硫化物的溶解造成的穿梭效应会明显降低电池的循环性能和硫利用率，严重阻碍锂-硫电池的推广应用。综述了近年来石墨烯和石墨烯基复合自支撑中间层材料在锂-硫电池中的应用，例如，通过物理或化学限域的方法减缓多硫化物的穿梭并改善锂-硫电池电化学性能等，并对石墨烯基复合自支撑中间层材料未来在锂硫电池中的实际应用进行了展望。     

Synthesis of bimetallic sulfide CuCo2S4 and its application in lithium-sulfur batteries

Lithium-sulfur batteries have received extensive attention in recent years due to the high specific energy. However, their development needs to overcome many problems such as the shuttle effect of intermediate products, the insulation of sulfur, and the volume expansion of the cathode. To effectively suppress the shuttle effect, this paper uses a method derived from Prussian blue analogs to synthesize a spinel bimetallic sulfide CuCo₂S₄ and use it for the cathode of lithium-sulfur batteries. XRD, SEM, TEM, BET, XPS and other characterizations were used to analyze the crystal structure and morphology of the synthesized materials, and the electrochemical performance of the CuCo₂S₄-S composite cathode was tested by cyclic voltammetry and galvanostatic charge and discharge process. Studies show that the CuCo₂S₄-S cathode exhibits excellent electrochemical performance. The first initial capacity is 959 mA·h·g^-1 at the rate of 0.2C, and 591 mA·h·g^-1 remains after 100 cycles. The high discharge specific capacity and good cycling stability are attributed to the hollow structure inside the CuCo₂S₄ material that can accommodate the active material sulfur and play a role in physical confinement; at the same time, the polar CuCo₂S₄ can effectively chemically adsorb polysulfides and suppress capacity loss caused by the shuttle effect of polysulfides.     

双金属硫化物CuCo2S4的合成及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池因较高的比能量近年来得到了广泛的关注，然而其发展需要克服中间产物的穿梭效应、硫的绝缘性和正极体积膨胀等诸多问题。为了有效抑制穿梭效应，采用普鲁士蓝类似物衍生的方法合成了一种尖晶石结构的双金属硫化物CuCo₂S₄，并将其用于锂硫电池正极。利用XRD、SEM、TEM、BET、XPS等手段对合成的材料的晶体结构、形貌等性质进行分析，采用循环伏安法及恒流充放电对CuCo₂S₄-S复合正极的电化学性能进行测试。研究表明，CuCo₂S₄-S正极展现出优异的电化学性能，在0.2C倍率下首次放电容量为959 mA·h·g^-1，经过100个循环后容量保持在591 mA·h·g^-1。较高的放电比容量和良好的循环稳定性归因于CuCo₂S₄材料内部的中空结构可容纳活性物质硫，并起到物理限域作用；同时，极性CuCo₂S₄可有效地化学吸附多硫化物，抑制多硫化物的穿梭效应造成的容量损失。     

改善锂硫电池循环性能的研究进展

综述了制约锂硫电池循环性能的因素和正极、负极、电解质对锂硫电池循环性能改善的影响。介绍了制约锂硫电池循环性能的主要因素：不可逆硫化锂的形成、硫正极多孔结构的失效和电解液组分与锂负极的副反应。分别介绍了改善锂硫电池循环性能的途径：合适的黏合剂、碳材料、正极制备工艺,锂负极保护技术,合理组分的电解质,电池结构与设计。并在此基础上对今后的发展趋势进行了展望。     

Sulfur infiltration and allotrope formation in porous cathode hosts for lithium-sulfur batteries

We investigate sulfur infiltration and formation of lower order allotropes in heated porous hosts during fabrication of lithium-sulfur (Li-S) battery cathodes. Sulfur existence in cathode ultramicropores has been an important question for Li-S batteries, as ultramicropores reduce the polysulfides “shuttle effect” but also delay sulfur dissolution and Li⁺ ion diffusion in the trapped solid sulfur. A novel continuum-level model is presented including heat transfer and sulfur infiltration, either from the top of a porous host or from the porous host particle surface, and taking into account the pore size distribution. A novel decay factor in modeling sulfur infiltration incorporates the pore wall repulsion energy and allotrope formation energy (predicted by density functional theory [DFT] simulations). Simulations are performed for a microporous carbon fabric host and an activated carbon powder host with bimodal micropore and macropore size distribution, with Raman and X-ray photoemission spectroscopy (XPS) spectroscopy confirming the predicted existence of linear S₆ and S₄ in ultramicropores.