锂硫电池用玉米苞叶基活性炭/硫复合正极材料的电化学性能

锂硫电池因具有超高的理论比容量(1675 mA·h·g~(-1))而被认为是最具有应用前景的二次电池。但硫基正极面临着硫导电性差、利用率低、正极结构稳定性差等问题。采用KOH化学活化法将廉价易得的农业废弃物玉米苞叶制备为多孔碳材料后,与升华硫复合获得硫/碳复合材料。利用XRD、SEM、TEM和BET对该硫/碳复合材料的微观结构、形貌等进行表征发现,玉米苞叶制备的多孔碳材料具有类石墨烯片层结构,且表面具有大量的介孔结构,硫元素均匀分布在多孔碳材料中。采用恒流充放电和交流阻抗法对该复合材料正极电化学性能进行测试发现其具有较高的放电比容量和良好的循环性能,这是由于类石墨烯片层结构的多孔碳材料提高了硫正极的导电性,且其极大的比表面积大幅增加了电化学反应位点,提高了硫的利用率。     

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。     

基于泡沫镍制备硫正极的研究

锂硫电池正极的制备通常包括硫载体材料的制备、硫载体材料覆硫制备硫正极复合材料、混浆料、涂片等工艺,制备工艺繁琐,且涂片时所用胶粘剂、导电碳会增加正极质量,减小了电池的比能量密度。为了解决上述问题,将氧化石墨烯与硫的混合物通过离心将其渗入泡沫镍孔隙中,经过还原氧化石墨烯后干燥得到硫复合材料。这种含泡沫镍的硫复合材料可直接用作硫正极,这种极片省去了胶粘剂、导电剂,也省去了混料、涂片等工艺,且载硫量可通过离心时间及次数来控制。此硫正极首次放电比容量可达1024.76mAh·g~(-1),循环50次后比容量为396.04mAh·g~(-1)基于泡沫镍制备硫正极是一种简单有效的方法。     

锂硫电池正极材料的研究进展

简要介绍了锂硫电池正极材料的分类与循环性能,叙述了硫-多孔碳材料、硫-石墨烯复合材料以及硫-聚合物复合材料的常见合成方法和特点,详细分析了硫-微孔碳材料、硫-氧化石墨烯材料、硫-聚丙烯腈材料、硫-聚吡咯材料以及硫-聚苯胺材料的研究与应用现状,并探讨了锂硫电池正极材料的发展前景。     

锂硫电池硫基碳正极材料的研究进展

用于锂硫电池的碳质材料具有优异的力学、电学、导热性能,可调的孔结构以及丰富的表面特性,能有效地限制多硫化物的溶解,改善锂硫电池的电化学性能。因此,本文分别从一维碳、二维碳和三维碳这3个方面综述了锂硫电池硫基碳复合正极材料的研究进展,探讨了改性硫基碳正极材料的制备方法和结构设计。分析表明,高比表面积和高孔容积的多孔纳米碳材料对提高锂硫电池电化学性能而言至关重要,并提出用金属硫化物掺杂的有序介孔碳复合材料作为锂硫电池的正极材料能促进锂离子在正负极间的迁移,提高锂硫电池的循环稳定性和活性物质利用率。     

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.     

核壳结构S/MnO_2复合材料对锂硫电池性能的影响

锂硫电池是下一代高能量密度二次电池的首选,但目前实际能量密度远未达到预期水平,构建高硫负载量下依旧能让锂、硫多相电化学反应高效进行的硫正极是关键之一。将纳米片状MnO_2包覆在纳米硫球外表面,制备S/MnO_2核壳结构复合材料,通过壳层MnO_2来抑制穿梭效应、促进电化学反应,以优化多孔硫正极中表观电化学反应过程,改善锂硫电池性能。实验结果表明,0.05 C倍率放电时,比容量达1 200 mAh/g以上,0.1 C倍率放电时,比容量也在800 mAh/g左右,循环100次比容量保持率75.1%,显然壳层结构确实有利于提高电池性能;进一步测试对比两种不同厚度、结构的S/MnO_2复合材料表明,具有较薄的MnO_2壳层结构的S/MnO_2-2复合材料表现出更优的循环、倍率性能,表明复合材料壳层厚度、结构以及复合材料组成的微观多孔结构对硫正极中表观电化学反应过程有较大影响,其详细机理尚需今后深入研究。     

碳基/硫复合材料用于锂-硫电池正极的研究

锂-硫电池得益于其高的理论比容量和能量密度,受到了很多科研人员的关注,它集绿色无污染、价格实惠、来源广阔等多种优点于一身,激发了专家学者的探索兴趣。其中锂-硫电池的正极材料是影响电池性能好坏的一个重要因素,现今碳材料的高导电性成为硫宿主材料的研究热点之一。本文主要介绍了几种碳基复合材料用于锂-硫电池的正极设计以及性能研究。     

高还原氧化石墨烯隔膜应用于锂硫电池的研究

锂硫电池作为高能量密度的二次电池存在硫的低导电性和多硫化物的穿梭效应等问题。通过制备高还原度的氧化石墨烯隔膜,并将其应用于锂硫电池。利用石墨烯片层形成的空间位阻和小介孔结构,可阻挡多硫化物的迁移以及其高导电性可减弱电池极化。在0. 2 C下,采用高还原氧化石墨烯隔膜的锂硫电池初始比容量达到了1 143. 2 m Ah/g,经过100次循环后容量保持率为74. 25%。此外,在2 C下仍有626. 1 m Ah/g的比容量。表明高还原氧化石墨烯隔膜可以有效提升锂硫电池的电化学性能,体现出卓越的长循环稳定性和杰出的倍率性能。     

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。     

锂离子电容器碳正极材料的研究进展

锂离子电容器是一种采用电容型正极材料、电池型负极材料进行组装的储能器件，结合了锂离子电池与超级电容器两者的优点，兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命。但是由于锂离子电容器还存在正负极动力学过程以及容量不匹配的问题，大大影响了锂离子电容器的电化学性能。通常锂离子电容器的功率密度取决于负极材料，而能量密度取决于正极材料，因此为提高锂离子电容器的能量密度，还需发展具有高比容量和高导电性的正极材料。目前，碳材料因具有低成本、来源广泛、高比表面积和丰富的孔道结构等特点，是一种极具应用潜力的电极材料。综述并分析了各种碳材料(包括活性炭、模板炭、石墨烯和生物炭等)作为锂离子电容器正极材料的电化学性能与优缺点，最后对锂离子电容器正极材料的研究提出了建议与展望。     

One-step hydrothermal synthesis of 3D porous microspherical LiFePO4/graphene aerogel composite for lithium-ion batteries

Three-dimensional (3D) porous LiFePO₄/graphene aerogel (LFP/GA) composite was successfully prepared by an in-situ hydrothermal process. In this composite, the LiFePO₄ microspheres assembled by nanoparticles were embedded in a three-dimensional framework intertwined with the graphene sheets, which acts as a bridge for transfer of electron and diffusion of lithium ion. The large specific surface of the composite structure enables the increased infiltration area and utilization of the active material. The content of the graphene sheet is analyzed and is found important for the Li-storage characteristics of LiFePO₄. An aerogel composite with 10% of graphene displays the best electrochemical performance, with the specific discharge capacities of 168 mAh g⁻¹ and 155 mAh g⁻¹ at respectively 0.1C and 1C, and the capacity retains 96.3% for up to 800 cycles. This novel 3D porous aerogel composite is identified as a promising cathode material for the rechargeable Li battery, and the simple strategy may be applied to construct other high performing composite structure and materials.     

晶须形中空多孔氮掺杂复合碳电极材料的制备及电化学性能研究

中空多孔碳因其低密度、大孔容、高比表面积以及优良的电导率,被视为一种理想的电负极材料。以纳米碳酸钙晶须为模板剂,负载聚多巴胺薄膜与氧化石墨烯,作为碳源与氮源,制备出晶须形中空多孔碳材料（Cw-GO）,应用于锂离子电池负极。碳化过程中,碳酸钙晶须经高温分解释放出大量二氧化碳,刺破碳前体壳层,具有高效扩孔功能。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、氮气吸附-脱附仪对样品形貌和结构进行了表征,利用循环伏安（CV）、阻抗谱（EIS）、循环充放电（GCD）对样品进行电化学性能检测。结果表明,复合材料Cw-GO在500 mA·g^-1的电流密度下,其初始放电比容量可达到1185.9 mA·h·g^-1,在循环200次后,比容量为921.8 mA·h·g^-1,库仑效率基本保持在99.4%,表现出优异的电化学性能。     

Reduced graphene oxide coated Fe-soc as a cathode material for high-performance lithium-sulfur batteries

To solve the problem of the rapid decrease in capacity caused by poor conductivity, polysulfide shuttling, and the volume expansion associated with the reaction process, we attempt to use metal-organic framework (MOF) Fe-soc coated with reduced graphene oxide through electrostatic adsorption as a sulfur carrier material for lithium sulfur batteries. The research results show that S/Fe-soc@rGO has a high initial discharge specific capacity of 1634.3 mA h g⁻¹ with a stable specific capacity retention rate of 865.3 mA h g⁻¹ after 80 cycles and displays enhanced rate performance with high discharge specific capacities of 638.8 and 334.3 mA h g⁻¹ after 200 cycles at 0.5 and 1 C, respectively. Fe-soc has unsaturated metal sites can adsorb sulfur and polysulfide, effectively bind polysulfide, symmetrical stable structure is conducive to speed up the electron and ion transmission efficiency while buffering the volume expansion during charge and discharge. In addition, reduced graphene oxide as a coating layer can better assist Fe-soc to increase the utilization rate of sulfur, and improve the conductivity of the cathode material, thereby improving the cycle performance and rate performance of lithium-sulfur batteries. This article is also expected to stimulate the application of MOF derivatives in energy storage materials.     

S/MCNT/Fe3O4正极材料制备及电化学性能研究

锂硫电池因具备高的理论能量密度而引起研究者的广泛关注,但是其实际能量密度仍受限于硫的低电导率及其中间产物多硫化物的“穿梭效应”等因素。为解决以上问题,通过熔硫法将正极活性物质硫负载于多壁碳纳米管的多孔网络骨架中,进一步通过研磨法将其与极性氧化物四氧化三铁复合,制得硫/多壁碳纳米管/四氧化三铁（S/MCNT/Fe₃O₄）正极材料。基于该正极材料组装的锂硫电池,在1C倍率下具有高达908.6 mA·h/g的初始放电比容量,循环250圈后每圈容量衰减率为0.2%,平均库伦效率约为99%,当倍率提高到3C时仍具有636.5 mA·h/g的比容量,表现出优良的倍率性能。     

中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

中间相炭微球(MCMB)具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势,是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料,但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料,改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面,论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小,且碳结构较稳定,具有优异循环稳定性;内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB,在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率,并提供更多的储锂空间,一般具有优良的充放电比容量和倍率性能;小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积,通常具有较好倍率性能,伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面,论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积,提高了与电解液的接触面积及贮锂容量,改善了锂离子电池负极材料的电化学性能;另外,MCMB表面包覆一层无定型碳,可避免其表面与电解液直接接触,减少电化学副反应的产生,提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面,论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性,减少锂离子嵌入过程中的内部应力,提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构,提高MCMB的比表面积,从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能,有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征,有利于钠离子自由脱嵌,应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积,可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下,从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。     

Status and prospects in sulfur–carbon composites as cathode materials for rechargeable lithium–sulfur batteries

Sulfur stands as a very promising cathode candidate for the next-generation rechargeable batteries due to its high energy density, natural abundance, low cost and environmental friendliness. However, the application of lithium–sulfur batteries suffers from low sulfur utilization and poor cycle life of the sulfur cathode. The problems are mainly ascribed to the electrically insulating nature of sulfur and the discharge products, and to the dissolution of the reaction intermediates of polysulfides. Among various approaches, fabricating sulfur–carbon composite cathodes with sulfur embedded within conductive carbon frameworks has been proven promising. Carbon materials, including nanoporous carbon, carbon nanotubes, graphene nanosheets and some other forms, have excellent conductivity, robust chemistry, good mechanical stability, and great abundance. By constraining sulfur within carbon frameworks, the conductivity of the sulfur electrode can be greatly enhanced, and the dissoluble loss of intermediate sulfur species in the liquid electrolyte can also be restrained due to the sorption properties of carbon, leading to a much improved electrochemical performance. This review summarizes the progresses in the sulfur–carbon composite cathodes for lithium–sulfur batteries in recent years, and introduces the roles and the effectiveness of various carbon structures on the electrochemical properties.     

Li ion battery materials with core-shell nanostructures

Nanomaterials have some disadvantages in application as Li ion battery materials, such as low density, poor electronic conductivity and high risk of surface side reactions. In recent years, materials with core-shell nanostructures, which was initially a common concept in semiconductors, have been introduced to the field of Li ion batteries in order to overcome the disadvantages of nanomaterials, and increase their general performances in Li ion batteries. Many efforts have been made to exploit core-shell Li ion battery materials, including cathode materials, such as lithium transition metal oxides with varied core and shell compositions, and lithium transition metal phosphates with carbon shells; and anode materials, such as metals, alloys, Si and transition metal oxides with carbon shells. More recently, graphene has also been proposed as a shell material. All these core-shell nanostructured materials presented enhanced electrochemical capacity and cyclic stability. In this review, we summarize the preparation, electrochemical performances, and structural stability of core-shell nanostructured materials for lithium ion batteries, and we also discuss the problems and prospects of this kind of materials.     

高分散SiO2/石油沥青基多孔碳用于锂离子电池负极

二氧化硅(SiO₂)作为锂离子电池负极材料具有理论容量高、放电电位低、成本较低等特点，但存在导电性差、充放电过程体积膨胀严重以及容量衰减过快等问题。以石油沥青为碳源，利用硅烷偶联剂KH-540对纳米α-Fe₂O₃模板剂进行表面化学包覆，然后将硅源修饰模板剂与碳源混合，经碳化、酸洗等步骤得到高分散SiO₂/石油沥青基多孔碳(SiO₂/PC)。所得SiO₂/PC作为锂离子电池负极材料，在1 A·g^-1电流密度下，循环900圈后仍具有640 mA·h·g^-1的高可逆比容量。研究结果表明，高度纳米化的SiO₂在高温碳化过程原位生成，紧密牢固地负载于多孔碳表面，提高了其导电性，同时能够有效缓解SiO₂在充放电过程中的体积膨胀，抑制SiO₂的团聚或粉化，从而表现出优异的电化学性能。