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。     

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。     

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(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.     

锂硫电池正极材料的第一性原理计算研究进展

锂硫电池因为比当前锂离子电池更高的能量密度和更低的成本，因此有望成为下一代储能设备，但是锂硫电池由于“穿梭效应”而影响快速发展。随着理论计算的发展，综述了近几年锂硫电池正极材料的第一性原理计算，将正极材料分为三类：碳骨架材料、金属化合物材料、其他种类材料。通过第一性原理计算正极材料对多硫化锂的吸附，从微观角度认识吸附机制，并展望理论计算在锂硫电池中的发展前景，为锂硫电池正极材料的选取提供方向。     

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...     

锂硫二次电池硫基正极材料的研究进展

作为新一代的储能体系,锂硫二次电池以高的理论能量密度(2 600 m Ah/g),廉价的正极材料以及环境友好等特点受到广泛的关注。但是,由于硫的绝缘性和充放电过程中体积的膨胀、锂硫之间复杂的电化学反应及其产物多硫化物的溶解性等诸多问题的存在,阻碍了锂硫二次电池走向商业化。本文从无机金属化合物与硫复合、导电高分子与硫复合、纳米碳及其衍生物与硫复合,以及三元复合等方面出发,综述了近年来锂硫电池正极材料的研究现状,并展望了该材料的未来发展趋势。     

锂硫电池柔性正极材料研究进展

随着化石能源的日渐枯竭、能源危机和环境问题的日益突出,开发环境友好的二次电池能源体系迫在眉睫。锂硫电池作为一种新型的储能电池,其理论比容量高达1 675 mAh/g,质量密度可达2 600 Wh/kg,且原材料来源广、成本低等优点,使得其有望代替锂离子电池成为下一代理想的能源电池。近年来,可穿戴电子设备、智能纺织品的出现,对储能电池提出了更高的要求—柔性,因此开发柔性锂硫电池已经成为研究热点。作为锂硫电池的重要组成部分,柔性正极材料的研究和制备对柔性锂硫电池系统的开发至关重要。从锂硫电池柔性正极基体材料入手,对碳材料、导电聚合物材料和新兴的MOF材料等3个方面进行了分类总结,详细阐述了各自制备方法及对柔性正极性能影响。碳材料高的导电性和多孔结构设计、导电聚合物和MOF材料对多硫化物优异的化学吸附作用,均有助于抑制多硫化物的"穿梭效应",提升柔性锂硫电池的长循环电化学稳定性能。最后分析了现有锂硫电池柔性正极材料存在的缺陷与问题,对未来发展方向做出了展望。这将为开发新型的锂硫电池用柔性正极材料提供指导,同时为其它二次电池柔性正极材料开发过程中的共性问题提供实验和理论依据。     

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。     

MOFs及衍生复合材料在锂硫电池中的设计应用

在能源危机与环境问题日益凸显的背景下,电化学储能技术得到了迅速发展。在“超越锂”储能领域的竞争者中,锂硫电池(Li-S)因其具有高理论比容量、高质量能量密度并且环境友好、价格低廉等优点,成为最有前途的新储能技术。但是,锂硫电池的发展仍存在一些瓶颈问题需要解决,例如正极材料导电性能差、多硫化物穿梭效应及在充放电过程中电极体积膨胀等。作为锂硫电池的关键组成部分,电极和隔膜材料的设计和制备对解决这些问题及电池整体性能提升起到了重要的作用。金属有机骨架(MOFs)及衍生的复合材料作为锂硫电池电极或隔膜修饰材料,具有质量轻、电子和离子传导性好、孔道丰富和活性位点均匀分布等优势。此外,这类复合材料还具备形貌和组分可控、来源丰富和孔径可调等特性,从而便于机制研究。本文全面介绍了锂硫电池组成、工作原理并综述了近几年MOFs及衍生复合材料在锂硫电池中的研究进展,重点讨论了其在正极材料和隔膜材料中的应用,并对未来该材料在锂硫电池研究方向上的前景和突破进行了展望。      

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20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用一维、二维以及三维等不同结构的碳材料来负载硫,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。本文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,并简单介绍了面载量、面容量和电解液与硫的比值对电池整体性能的影响;最后,总结和展望了锂硫电池未来可能的发展方向。     

MXene在锂硫电池中应用的研究进展

MXene是一种新兴的二维过渡金属碳化物或碳氮化物，优异的金属导电性、丰富的表面官能团和超薄二维结构使其在电化学储能方面的应用有巨大的潜力。锂硫电池的理论比容量较高，在新一代储能器件中极具竞争力。二维MXene及其组装的三维材料作为一种先进的硫载体可通过多种途径克服锂硫电池固有的导电性差和放电产物溶解严重的问题。本文综述了目前二维和三维结构的MXene材料在锂硫电池中的应用，分析了性能与结构之间的关系，总结了目前存在的挑战和困难并对未来的设计方向提出一些看法。     

不同比例Cr_2O_3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。纳米氧化物不仅能提高硫电极的孔隙度,还能吸附较多硫离子,另外对电池的氧化还原反应起到催化作用。常见纳米氧化物有:SiO2,TiO2,V2O5等。但很少有Cr2O3做添加剂的报道。本研究通过对锂硫电池正极材料单质硫的导电特性进行研究,研究添加不同比例的Cr2O3对单质硫电化学性能的影响,并采用XRD、SEM、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。     

石墨烯在锂系二次电池中的应用:进展与展望

能源危机和环境污染不断加剧,开发绿色、高效的电化学储能器件迫在眉睫。由于锂具有很高的能量密度,锂系二次电池包括锂离子电池、锂硫电池和锂空电池等得到广泛研究和快速发展;而碳基材料是锂系二次电池重要的电极材料和关键组分。石墨烯是"至柔至薄"的碳基材料,良好的力学、热学、电学性能以及高比表面积和柔性片状的结构特征使其在锂系二次电池中展示出很大的应用潜力;作为其它sp2杂化碳基材料的基本结构单元,石墨烯的出现也为构建高性能的新型碳电极材料提供了契机。评述了不同结构形貌的石墨烯基材料在锂系二次电池中的研究进展,并对目前存在的问题和下一步的工作方向进行了分析与展望。     

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。     

柔性锂硫电池材料:综述

近年来,随着可穿戴和便携式产品的快速发展,对柔性电子设备的需求日益增加。柔性电池作为其关键部件,得到了越来越多的研究和关注,开发具有高能量密度的柔性电池,对柔性电子设备的未来发展意义重大。锂硫电池具有较高的理论容量和能量密度,且成本低廉,是未来储能领域发展的重要前沿方向。因此,开发高性能的柔性锂硫电池更能满足未来柔性可穿戴电子器件的需求。但是,传统锂硫电池很难实现较高的柔韧性,因为其电极材料多为刚性材料,不易或不能弯曲;电解液为液态,弯曲过程中,容易发生泄漏;电池结构多为传统物理组装,材料界面结合较差。电池弯曲变形后,将丧失原有性能,或发生性能的快速衰退。鉴于此,适用于柔性锂硫电池的电极材料、固态电解质的开发及电池结构设计创新成为国内外学者研究的热点。目前,柔性电极主要采用碳纳米管、石墨烯、碳布、碳纸等碳基材料或高分子材料,在此基础上的改性材料也被广泛应用。这些材料不仅可满足设备对于机械柔性的要求,同时其多孔及大比表面积等性质有助于离子快速的迁移及界面阻抗的降低等,提高了电池整体性能。固态电解质则多采用凝胶电解质、聚合物固态电解质及无机固态电解质,其化学稳定性优良,安全性高,具有较好的柔性和可塑性。同时,根据拓扑原理,可以设计新的电池结构,如纸张叠层型、线缆型、可编织型等,降低形变过程中电池内部结构的应力变化,以满足电池的柔性要求。本文从电极材料、固态电解质及电池结构设计三方面阐述了锂硫电池柔性化研究的相关成果,分析探讨了面临的问题及未来发展方向。     

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。     

锂硫电池自支撑正极材料的研究进展

锂硫电池具有1 675 mAh·g~(-1)的理论比容量,丰富的硫资源,低成本和环境友好等优点,将是下一代最具潜力的高能量密度储能电池之一。然而单质硫的绝缘性、多硫化物的穿梭效应以及活性硫的低含量和低面载量等问题,是导致锂硫电池的实际能量密度低、容量衰减快的主要原因。锂硫电池正极材料的设计与构筑至关重要,自支撑的硫正极材料不需要传统的铝箔集流体,能有效改善活性硫的"两低"问题和提高锂硫电池的电化学性能。综述了自支撑硫正极材料的基体类型及其制备方法对锂硫电池电化学性能的影响,分析了目前自支撑硫正极材料存在的缺陷与问题,并对其未来的发展进行展望。这对开发新型硫正极材料来改善锂硫电池的电性能有着重要意义。