面向锂硫电池的高负载量碳硫复合正极材料研究进展

在近二十多年的发展过程中,锂离子电池已经越来越接近于其理论能量密度的极限,并且随着化石能源消耗和电动车需求量的增加,锂离子电池已经不能满足于社会的需要,寻找可替代的绿色新能源也变得愈发重要。其中,锂硫电池是最有希望代替锂离子电池,成为下一代电化学储能系统的电池之一。由于硫的无毒性、低成本和高的能量密度等优势,使得锂硫电池吸引了研究者们的广泛关注。硫作为锂硫电池中非常重要的一部分——正极材料,对于电池的循环寿命、循环稳定性、能量密度、库伦效率等方面,产生了非常重要的影响。但是锂硫电池中存在的关键问题亦限制了其实际应用,例如硫的导电性差、多硫化物中间体的穿梭效应、较低的硫负载量、大的体积膨胀以及复杂的内部反应机理等。为了提高锂硫电池整体的性能,设计具有高的比表面积、优越的导电性以及更多的活性位点的基底材料用来负载硫变得越来越重要。为解决这些问题,研究者们设计了各种不同材料来进行硫的负载,例如碳-硫复合材料,金属氧化物-硫复合材料,聚合物-硫复合材料等。其中由于碳材料具有密度低、比表面积大、导电性好、结构多样、易于加工制备和价格低廉等优点,引起了研究者们的广泛关注,因此研究者们相继实现了一维、二维以及三维等不同结构的碳材料用来进行硫的负载,使得锂硫电池的循环寿命、循环稳定性和库伦效率得到了有效的提高。虽然在循环寿命等方面,研究者们做出了很大的贡献,但是硫的负载量却有限,从而导致了电池整体的能量密度仍然很低。从商业化的角度来看,电池能量密度的高低才是研究者们关注的重点,因此研究者们在提高其性能的同时,也在不断地提高硫的负载量,以求达到更高的能量密度。本篇综述主要从四个方面进行了相关总结:首先,概述了锂硫电池最新发展状况;其次,概要介绍了锂硫电池中存在的反应机理和阻碍锂硫电池发展的主要问题;再次,重点总结了提高锂硫电池的性能和载硫量方面的研究进展;最后,总结和展望了锂硫电池未来可能的发展方向。     

面向锂硫电池的高负载量碳硫复合正极材料研究进展

在近二十多年的发展过程中,锂离子电池已经越来越接近于其理论能量密度的极限,并且随着化石能源消耗和电动车需求量的增加,锂离子电池已经不能满足于社会的需要,寻找可替代的绿色新能源也变得愈发重要。其中,锂硫电池是最有希望代替锂离子电池,成为下一代电化学储能系统的电池之一。由于硫的无毒性、低成本和高的能量密度等优势,使得锂硫电池吸引了研究者们的广泛关注。硫作为锂硫电池中非常重要的一部分——正极材料,对于电池的循环寿命、循环稳定性、能量密度、库伦效率等方面,产生了非常重要的影响。但是锂硫电池中存在的关键问题亦限制了其实际应用,例如硫的导电性差、多硫化物中间体的穿梭效应、较低的硫负载量、大的体积膨胀以及复杂的内部反应机理等。为了提高锂硫电池整体的性能,设计具有高的比表面积、优越的导电性以及更多的活性位点的基底材料用来负载硫变得越来越重要。为解决这些问题,研究者们设计了各种不同材料来进行硫的负载,例如碳-硫复合材料,金属氧化物-硫复合材料,聚合物-硫复合材料等。其中由于碳材料具有密度低、比表面积大、导电性好、结构多样、易于加工制备和价格低廉等优点,引起了研究者们的广泛关注,因此研究者们相继实现了一维、二维以及三维等不同结构的碳材料用来进行硫的负载,使得锂硫电池的循环寿命、循环稳定性和库伦效率得到了有效的提高。虽然在循环寿命等方面,研究者们做出了很大的贡献,但是硫的负载量却有限,从而导致了电池整体的能量密度仍然很低。从商业化的角度来看,电池能量密度的高低才是研究者们关注的重点,因此研究者们在提高其性能的同时,也在不断地提高硫的负载量,以求达到更高的能量密度。本篇综述主要从四个方面进行了相关总结:首先,概述了锂硫电池最新发展状况;其次,概要介绍了锂硫电池中存在的反应机理和阻碍锂硫电池发展的主要问题;再次,重点总结了提高锂硫电池的性能和载硫量方面的研究进展;最后,总结和展望了锂硫电池未来可能的发展方向。     

锂硫电池硫正极材料研究进展

由化石燃料的大量使用导致的全球能源和环境问题日益严重,已对人们的生产和生活产生了明显的影响。开发利用储量丰富的清洁能源(如太阳能、水能和风能等)有望较好地解决全球能源和环境问题。由于这些清洁能源存在地域性、间歇性等特点,高效的能量转化和存储技术是实现清洁能源规模化利用的关键和基础。锂离子电池作为绿色环保的储能器件,已在手机、笔记本电脑、相机等便携电子产品中广泛使用。近年来,锂离子电池开始在电动汽车等动力电池领域得到应用。但是,由于其能量密度不够高,导致锂离子电池电动汽车续航短、充电频繁及购车成本高。由金属锂为负极和硫为正极组成的锂硫电池的能量密度(2 600 Wh·kg~(-1))远高于目前广泛使用的锂离子电池。此外,硫正极材料具有储量丰富、毒性低、价格便宜、环境友好等突出优点。因此,锂硫电池被认为是当前最具研究前景的高能量密度二次电池之一。硫正极材料的本征导电性差、在充放电过程中存在较大的体积膨胀和收缩,储放锂过程中形成的多硫化锂易溶于电解液,使得锂硫电池的倍率性能、循环寿命和库伦效率等电化学性能离实际应用仍有较大距离。迄今为止,关于硫正极材料的研究工作,主要集中于如何提升其导电性、抑制或消除由多硫化锂的溶解引起的穿梭效应以及在反复的循环过程中保持电极材料微结构的稳定性等方面。相关研究表明,将硫与不同形貌的碳材料复合构筑成具有特殊微观结构的硫/碳复合正极材料可显著提高其导电性、抑制多硫化锂的穿梭效应和减缓储放锂前后的体积变化,进而改善倍率性能、循环稳定性和充放电效率等。此外,在硫正极材料中引入异质元素掺杂碳材料、金属氧化物和导电集合物均可通过化学吸附实现对易溶解多硫化锂的有效吸附。将上述多种改性方法结合也可使硫正极材料具有优异的电化学储锂性能。本文从锂硫电池的工作原理出发,总结了硫正极材料存在的主要问题,综述了近几年锂硫电池复合正极材料的研究进展,最后对锂硫电池正极材料的研究思路与发展趋势进行了分析和展望。     

锂硫二次电池硫/碳正极复合材料的研究进展

锂硫电池因其具有高能量密度、较好的安全性、绿色环保和低成本等特点,成为未来动力电池最具吸引力的体系之一。但是,因其放电产物多硫化物易溶于有机电解液以致锂硫电池循环性能差,制约了锂硫电池的快速发展。碳材料利用其高的比表面积和多孔结构吸附电极反应的中间产物多硫化锂,起到固硫的作用,提高电池的循环性能。综述了锂硫电池硫/碳正极复合材料的研究现状;分析了影响锂硫电池循环性能的主要因素;简述了锂硫电池硫/碳正极复合材料今后研究的方向。     

锂硫电池硫正极材料研究进展

由化石燃料的大量使用导致的全球能源和环境问题日益严重,已对人们的生产和生活产生了明显的影响.开发利用储量丰富的清洁能源(如太阳能、水能和风能等)有望较好地解决全球能源和环境问题.由于这些清洁能源存在地域性、间歇性等特点,高效的能量转化和存储技术是实现清洁能源规模化利用的关键和基础.锂离子电池作为绿色环保的储能器件,已在手机、笔记本电脑、相机等便携电子产品中广泛使用.近年来,锂离子电池开始在电动汽车等动力电池领域得到应用.但是,由于其能量密度不够高,导致锂离子电池电动汽车续航短、充电频繁及购车成本高.由金属锂为负极和硫为正极组成的锂硫电池的能量密度(2600 Wh·kg-1)远高于目前广泛使用的锂离子电池.此外,硫正极材料具有储量丰富、毒性低、价格便宜、环境友好等突出优点.因此,锂硫电池被认为是当前最具研究前景的高能量密度二次电池之一.硫正极材料的本征导电性差、在充放电过程中存在较大的体积膨胀和收缩,储放锂过程中形成的多硫化锂易溶于电解液,使得锂硫电池的倍率性能、循环寿命和库伦效率等电化学性能离实际应用仍有较大距离.迄今为止,关于硫正极材料的研究工作,主要集中于如何提升其导电性、抑制或消除由多硫化锂的溶解引起的穿梭效应以及在反复的循环过程中保持电极材料微结构的稳定性等方面.相关研究表明,将硫与不同形貌的碳材料复合构筑成具有特殊微观结构的硫/碳复合正极材料可显著提高其导电性、抑制多硫化锂的穿梭效应和减缓储放锂前后的体积变化,进而改善倍率性能、循环稳定性和充放电效率等.此外,在硫正极材料中引入异质元素掺杂碳材料、金属氧化物和导电集合物均可通过化学吸附实现对易溶解多硫化锂的有效吸附.将上述多种改性方法结合也可使硫正极材料具有优异的电化学储锂性能.本文从锂硫电池的工作原理出发,总结了硫正极材料存在的主要问题,综述了近几年锂硫电池复合正极材料的研究进展,最后对锂硫电池正极材料的研究思路与发展趋势进行了分析和展望.     

锂硫电池隔膜改性研究进展

锂硫电池因高比容量和高能量密度引起了研究者们的广泛关注,成为新型锂电池研究热点之一。隔膜作为锂硫电池的重要组成部分,是提高电池各方面性能的关键。现阶段锂硫电池隔膜改性工作主要集中于高性能涂层材料的设计与合成以及新型隔膜材料的开发。本文综述了锂硫电池隔膜改性的研究现状,分别从碳涂层隔膜、元素掺杂碳涂层隔膜、金属氧化物/碳复合涂层隔膜、新型薄膜材料和多层隔膜等五个方面进行介绍,指出了从隔膜入手提高导电性、抑制穿梭效应、减轻锂电极腐蚀,从而提高电池电化学性能的重要性。     

石墨烯应用于锂硫电池的研究进展

锂硫电池具有很高的理论放电比容量(1 675 mAh/g)和能量密度(2 600 Wh/kg),被认为是最具前景的新型电池之一。石墨烯具有优良的导电性和电化学性能,具有开阔的负载硫的表面和空间,是导电性差的硫黄和硫化锂的良好载体,为锂硫电池正极材料提供了新的研发平台。本文介绍了近年来石墨烯及其复合材料应用于锂硫电池中的研究进展,包括石墨烯或氧化石墨烯负载硫、杂原子掺杂石墨烯负载硫、石墨烯三维网格负载硫和石墨烯-多孔炭复合炭材料负载硫等4种石墨烯基-硫正极材料,概述了其锂硫电池的比容量、倍率性能和循环寿命等性能指标。从石墨烯基锂硫电池正极材料的设计和合成的角度,总结了不同微结构特征的石墨烯及其复合材料组装成锂硫电池的性能特点,并分析了材料组成和微结构对电池性能的影响机制。在总结的基础上展望了石墨烯应用于锂硫电池的发展方向。     

高性能锂硫电池碳基硫宿主的研究进展

“双碳”战略要求新型储能器件具备更高的能量密度和更低的成本。锂硫电池因其低成本、环保和高比能(2600 Wh kg^-1)等优势,而成为储能领域中最具潜能的电池体系,已受到了广泛的关注及研究。近年来,锂硫电池已取得了系列进展,但仍面临一些问题与挑战,包括硫固有的电荷传输效率差、可溶性多硫化物的“穿梭效应”、充放电过程中的剧烈体积膨胀及锂枝晶的生长等,这些问题会导致锂硫电池性能下降甚至失效。碳基硫宿主具有多孔、高电导、轻质、大比表面积等优点,能够有效解决以上难题,已成为锂硫电池研究领域中的重要方向。而碳材料种类繁多,有碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米片、碳纳米花等,不同形貌或具备不同纳米尺度维度的碳纳米结构对锂硫电池的性能具有不同的影响规律。基于此,本文围绕高性能锂硫电池碳基硫宿主进行综述,分类综述了一维、二维、及多维复合碳材料在锂硫电池领域的应用及其性能,阐述不同维度碳基硫宿主对其电化学性能的影响规律,并对未来的研究方向进行了一定的展望。     

金属化合物在锂硫电池正极材料及夹层中的应用

在能源危机的驱使下,电动汽车以及大型储能装置的快速发展需要高能量密度的锂二次电池来实现,锂硫电池硫电极因具有高理论比容量和能量密度而倍受关注。此外,单质硫具有储量丰富、成本低和无毒等优点,使得锂硫电池更具有商业竞争力,因此锂硫电池被认为是最有前途的二次电池之一。然而,锂硫电池依然存在电导率低、穿梭效应、体积膨胀和锂枝晶等问题,这限制其广泛应用。因此,研究者们从正极材料和夹层着手,除了对正极材料的导电性加以改善之外,主要从限制多硫化物的穿梭效应和缓冲正极体积膨胀进行研究。研究发现,相比碳基和聚合物基正极材料,金属化合物基正极材料可以更好地改善锂硫电池的倍率性能和循环稳定性。此外,金属化合物材料作为夹层时同样可以有效缓解这些问题,能够更好地抑制多硫化物的溶解和扩散,减少穿梭效应,提高锂硫电池的电化学性能。一些金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属磷化物等作为锂硫电池正极材料或夹层都取得了重大进展。对于部分极性金属化合物而言,其不仅能化学吸附充放电中间产物多硫化物,有效改善硫正极的循环稳定性,而且还能在氧化还原反应中表现出电催化活性,加快多硫化物的转化,提高硫正极的倍率性能。本文综述了近年...     

金属-有机骨架(MOFs)用于锂硫电池硫正极材料改性的研究进展

随着便携式电子设备和电动汽车的发展,目前广泛使用的锂离子电池已不能满足市场的需求,锂硫电池作为一种非常有前途的高能化学电源,因其高理论比容量(1675 mAh?g-1)和高理论能量密度(2600 Wh?kg-1)引起了研究者的广泛关注.然而,在锂硫电池的发展过程中,一些突出的问题制约了其发展,包括硫本征导电性差、充放电前后体积变化大、较差的循环稳定性以及生成的多硫化物易溶解等.相关研究表明,将硫与金属-有机骨架(MOFs)材料复合,构筑成具有特殊微观结构的复合正极材料,可显著改善其导电性、循环稳定性和多硫化物的溶解等问题.本文从锂硫电池的工作原理出发,总结了MOFs作为硫载体的优势特点,综述了近几年MOFs材料在锂硫电池正极方面的研究进展,最后对锂硫电池MOFs基正极材料未来的研究思路与发展趋势进行了分析和展望.     

碳质材料在锂硫电池中的应用研究进展

随着石墨负极的成功商用,锂离子电池在智能手机、笔记本电脑等便携式电子设备中已得到广泛的应用。经过20多年的发展,现有基于嵌锂化合物正极的锂离子电池已接近其理论容量,但仍不能满足高速发展的电子工业和新兴的电动汽车等行业的要求,寻找具有更高能量密度的电池系统迫在眉睫。锂硫电池系统具有极高的理论能量密度,在多种储能系统中是最具潜力的一种二次电池。但是锂硫电池中也存在硫的电导率极低、多硫化物溶解迁移等问题,使其在走向实用化的过程中遇到许多困难。纳米碳质材料在新型锂硫电池的开发过程中处于重要地位,通过纳米炭的引入,可以获得导电复合正极材料,控制多硫化物的穿梭,从而有望实现正极硫材料的高效利用。综述了基于纳米炭-硫复合正极材料,尤其是碳纳米管、石墨烯、多孔炭以及其杂化物等材料复合的电极,分析其结构与锂硫电池性能的关系,并展望锂硫电池的发展方向。     

碳纳米材料构建高性能锂离子和锂硫电池研究进展EI北大核心CSCD

碳作为单一元素可形成像零维碳纳米球、一维碳纳米管、二维石墨烯等多种碳纳米结构,它们在锂离子和锂硫电池中的表现也有所不同。需要阐明的是,碳纳米管和石墨烯由于具有以下缺点不适合直接作为锂离子或锂硫电池电极材料:(1)第一次不可逆容量大,首次充放电效率低;(2)在充放电曲线中电压滞后现象严重;(3)缺少稳定的电压平台;(4)容量衰减快。科学家们一直在为获得具有更高能量密度和更广阔应用前景的锂离子电池和锂硫电池而努力,由于可充电电池的性能主要取决于阴极和阳极的性能,因此,设计先进的电极材料以及制备具有特定成分和结构的电极成为近年来的研究热点。本文综述了碳纳米材料在构建高性能锂离子、锂硫电池电极材料和特定电极方面的作用。首先,从促进电子和离子传输、固定多硫化物位置以及缓冲体积膨胀三个方面讨论了碳纳米材料在修饰电活性材料的作用;其次,从作为导电添加剂、电流集流体和导电中间层三个方面讨论了碳纳米材料在最优化非活性组分的作用;然后,从作为非导电基体上的导电相、柔性电流集流体和自支撑复合电极三个方面讨论了碳纳米材料在柔性电池设计的作用。最后,本文对碳纳米材料的未来发展趋势作了概述,兼具多种功能的碳纳米材料被认为是今后的研究重点。     

锂硫电池硫正极材料研究现状与展望

综述了锂硫电池硫正极材料的研究现状。针对锂硫电池目前存在的问题,展望了其发展趋势,并指出硫/有序多孔碳纳米复合材料对提升锂硫电池性能有重要研究价值;同时形成三维空间传导网络的导电添加剂和具有良好粘接性、导电性及电化学稳定性的粘结剂对锂硫电池性能提升也具有重要作用。     

福建物构所锂硫电池正极材料研究取得新进展

正在科技部973计划、国家自然科学基金项目的支持下,福建物构所结构化学国家重点实验室官轮辉研究小组与新加坡南洋理工大学徐梽川博士合作,通过新颖的结构设计,将多壁碳纳米管填充在空心的多孔碳纳米管中,合成出一种新型的管中管复合碳纳米材料。作为硫的优良载体,该材料有效提高硫的导电性,抑制多硫化物的溶解,并提供大的孔体积来提高硫的负载量。合成的硫/碳复合材料作为锂硫电池的正极材料,表现出高的比容量、良好的循环性能和优异的倍率性能。该研究表明,     

锂硫二次电池研究进展及前景展望

<正>随着电动汽车行业及新能源领域的飞速发展和人们环保意识的提高,新型电动汽车受到社会的广泛关注。传统锂离子电池受正极材料理论比容量等因素的制约,能量密度已经达到了理论极限。为满足人们对电动车行驶里程及电池能量密度的需求,研究者将研究方向转向了锂离子电池之外的二次电池体系。锂硫二次电池是以硫或硫基复合材料为正极,锂为负极的新型储能体系,理论     

不同比例V_2O_5对硫正极材料导电性能的影响

解决单质硫导电性问题是提高锂硫电池性能的关键。抑制多硫化物的产生,在碳硫复合材料中"填充"过渡金属氧化物,这些氧化物通常具有离子选择性。这样的复合材料,能够抑制多硫化物的溶解,改善电池的循环性能。纳米氧化物利用其吸附性可以有效的抑制硫及其还原产物在电解液中的溶解,提高正极反应的表面积,另外对电池的氧化还原反应起到催化作用。通过对锂硫电池正极材料单质硫的导电特性进行研究,研究"填充"V_2O_5对单质硫电化学性能的影响。并采用XRD、SEM和粒度分析仪对电池材料物相、颗粒形貌和粒度分布进行表征。利用高精度电池性能分析测试系统等对正极材料、电池进行电性分析。     

锂-硫电池用高体积比容量硫/铁酸镍复合正极材料

锂-硫电池因其较高的理论质量能量密度而广为人知.然而,与以重质过渡金属氧化物作为正极材料的传统锂离子电池相比,锂-硫较低的体积能量密度是其实际应用的瓶颈.此外,硫单质通常与轻质导电碳基底材料复合,以实现其电化学循环稳定性.这使得锂-硫电池实际体积能量密度更低.本文通过静电纺丝方法制备了铁酸镍纳米纤维,并将其用作新型载体...     

电纺纳米纤维应用于锂硫电池的研究进展

随着科技的发展,人们对储能设备提出了更高的要求,传统的锂离子电池已经接近其容量峰值,难以满足当今社会对其能量密度的要求。锂硫电池具有超高的理论能量密度(2600 Wh·kg-1),有望取代锂离子电池成为下一代高能量密度储能设备。然而,锂硫电池中存在的关键问题,如中间产物多硫化锂的穿梭效应、含硫物种缓慢的反应动力学和硫正极在充放电过程中较大的体积变化等,严重制约了锂硫电池的发展。电纺纳米纤维因其独特的纳米结构,展现出了一些独有的性能,有望在高硫负载量和低电解液等极端条件下解决这些问题。着重评述了电纺纳米纤维在锂硫电池正极、隔膜和夹层这3个方面的材料设计结构以及研究进展,分析了材料性能、结构对锂硫电池性能的影响,指出了电纺纳米纤维面向锂硫电池各部分的研究进展和发展方向。     

碳材料功能化设计及其在锂硫电池中的研究进展

锂离子电池等储能器件已被应用于电子设备和电动汽车中,但其低的理论容量已不能满足需求。锂硫电池因其具有高的理论比容量(1672 m Ah·g~(-1)),有望满足高能量密度的需求,但是锂硫电池还存在多硫化物的穿梭、硫导电性差等问题,阻碍了它的商业化应用。针对以上问题,不仅可以从正极材料的结构设计出发,也可以从电池的整体结构设计入手寻求解决的方法。评述了碳质材料的功能化设计在正极、正极与隔膜间的夹层设计、隔膜的优化以及新型隔膜中的研究进展,分析了结构、材料与锂硫电池性能之间的关系,指出了锂硫电池中碳质材料的发展方向。     

锂离子电池负极材料钛酸锂研究进展

锂离子电池被广泛应用于移动电子设备,在电动汽车和各类储能系统有良好的应用前景,是未来最具发展前途的储能电池之一。作为一种锂离子电池负极材料,钛酸锂因具有高的脱嵌锂平台电位,优异的循环性能,突出的热稳定性和安全特性而备受重视。总结了钛酸锂负极材料在结构形貌和电化学性能方面的研究进展,对其微纳米化、表面改性和离子掺杂等方面新的研究成果进行了概述。微纳米化可以赋予材料更大的表面积,有助于锂离子迁移,电极材料与电解液可以更好的接触,产生更大的锂离子迁移电流,有利于提升钛酸锂材料倍率性能;表面改性手段主要以碳包覆、金属-钛酸锂复合材料和形成新表面相为主,通过这些手段可以改善材料导电性和提高电池的循环性能;离子掺杂可使部分Ti~(4+)转变为Ti~(3+),提高钛酸锂材料的电子导电性。对钛酸锂作为锂离子电池负极材料未来的发展方向进行了展望。