多壁碳纳米管对单质硫正极材料电化学性能的改性

为增强单质硫电极的导电性能和抑制活性硫在电解液中的溶解,选用高比表面积、强吸附能力的多壁碳纳米管作为非活性添加剂,通过密封分段加热的方式与单质硫形成复合材料。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和比表面积(BET)测试均表明单质硫均匀分散到碳纳米管基体中。电化学测试显示添加碳纳米管的硫电极首次放电比容量高达1 487.0mAh.g-1,硫的利用率达到了88.9%,循环50次后比容量还保持在913.7mAh.g-1,较之普通硫电极其电化学性能得到显著改善。     

锂硫电池石墨烯/硫复合正极材料的制备及其电化学性能

以经活化处理的石墨烯(AG)为主体材料, 通过化学还原法制备了石墨烯负载硫的复合正极材料AG/S。SEM、EDX和TEM测试结果表明经活化处理后形成手风琴结构的AG, 有利于电解液的浸润; 活性物质硫均匀地负载在AG表面, 同时沉积在AG的层间。电化学测试表明: 在400 mA/g电流密度下, AG/S复合正极材料首次放电比容量为1452.9 mAh/g, 经过200次循环之后, 放电比容量仍保持在909.7 mAh/g; 在1000 mA/g电流密度下, AG/S复合材料首次放电比容量为1309.9 mAh/g, 经过200次循环之后, 放电比容量仍保持在717.1 mAh/g。AG/S复合正极材料的倍率性能、库仑效率和循环性能优异, 这得益于小尺寸的硫在材料中均匀分布, 活化石墨烯优良的导电性以及其结构对硫的固化作用。     

改性乙炔黑对锂硫电池电化学性能的影响

采用浓硝酸蒸汽改性乙炔黑(H-AB)表面,再将其与升华硫(S)通过热处理法复合制备S/H-AB复合材料。X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和氮气吸附仪测试结果表明,经过浓硝酸蒸汽改性后,乙炔黑不仅在表面引入羧基官能团,且孔径和比表面积均增大,硫均匀地包覆于乙炔黑表面及内部。电化学测试结果表明,通过在H-AB纳米微粒表面引入羧基强亲水性官能团,固定单质硫及多硫化锂,有效减少穿梭效应的发生,同时减小了活性物质与电解液的接触阻抗,改善硫电极的循环稳定性,提高活性物质硫的利用率。S/H-AB复合正极的放电比容量和循环性能明显优于S/AB,经过100周循环后,其放电比容量仍保持为563 m Ah·g~(-1),远高于未经改性乙炔黑S/AB复合正极的放电比容量(406. 9 m Ah·g~(-1))。     

聚苯胺/硫复合材料作锂二次电池正极的研究

采用在化学氧化聚合苯胺的反应介质中分散单质硫的方法制备了聚苯胺/硫复合材料,借助扫描电镜对样品的微观形貌进行表征,表明苯胺的聚合倾向于在单质硫颗粒表面进行,形成聚苯胺包覆良好的硫复合材料.通过恒电流充放电、循环伏安、电化学交流阻抗等电化学测试研究了聚苯胺原位包覆对硫电极电化学性能的影响.结果得出,聚苯胺对硫的包覆能显著地改善硫电极的电化学性能,当充放电电流密度为0.2 mA/cm2时,初始放电比容量高达1134.01 mAh/g,循环30次后放电比容量仍可达526.89 mAh/g.电化学交流阻抗谱研究表明,聚苯胺的包覆有助于锂硫电池交流阻抗的降低.     

TiO2-聚吡咯纳米复合材料的电化学制备及其在锂硫电池中的应用

采用电化学沉积的方法,以阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列为基底,制备出高度有序的TiO_2-聚吡咯(PPy)纳米阵列,再通过共热法,将单质硫颗粒负载到基底阵列中,得到S/PPy/TiO_2纳米阵列结构复合材料。扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱(EDX)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和热重分析(TGA)表征结果表明,TiO_2纳米管高度有序平行排列,管径约120nm,聚吡咯均匀沉积在纳米管壁上,复合材料中硫的质量分数约为61.9%。电化学测试结果表明,在0.1C电流密度下,S/PPy/TiO_2纳米复合材料首次循环比容量达1155mAh·g-1,100次循环后比容量为648.4mAh·g-1,库伦效率保持在96.8%。高容量下良好的循环稳定性能显示出S/TiO_2/PPy纳米阵列结构复合材料作为锂硫电池正极材料的优势。     

二硫苏糖醇/多壁碳纳米管阻隔层抑制锂硫电池的穿梭效应

二硫苏糖醇(DTT)作为剪切剂,对高阶多硫化物进行剪切阻止其溶解,抑制穿梭效应的产生。以二硫苏糖醇(DTT)和多壁碳纳米管(MWCNTs)复合薄膜作为锂硫电池正极片与隔膜之间的阻隔层,抑制多硫化物的溶解和扩散,阻止穿梭效应,减小活性物质的损失,提高锂硫电池的容量和循环性能。利用透射电子显微镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等进行结构和性能的表征。电化学测试结果表明,含DTT/MWCNTs阻隔层的锂硫电池在0.2 C倍率首次放电比容量达到1 674 mAh/g,活性物质的利用率达到99.9%。在1 C充放电300次循环后,容量依然保持在780 mAh/g,是首次放电容量1 094 mAh/g的71.3%,且库伦效率保持在95.3%以上。在5 C和10 C倍率下充放电,电池比容量分别达到597和214 mAh/g。     

液相制备石墨烯/硫复合材料及其在锂硫电池正极中的应用

采用氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)作为制备石墨烯的前驱体,通过液相还原自组装过程与硫纳米颗粒进行复合,获得了高性能的还原氧化石墨烯/硫(r GO/S)复合正极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱分析(XPS)等对材料微观形貌与结构进行表征。结果表明:硫纳米颗粒均匀分布在石墨烯片层间,并且硫纳米颗粒被石墨烯片层有效地封装,硫在35-r GO/S复合物中的质量分数高达83.6%。该35-r GO/S复合正极在0.2C电流密度下初始放电容量可达1197.3mAh·g^-1,经过200次循环后容量仍保持在730mAh·g^-1左右,表现出优异的循环性能。     

三聚磷腈复合硫正极材料性能的改进研究

采用加热法,将三聚磷腈复合硫(TPS)正极材料与介孔炭复合,以期望改善电极性能.扫描电子显微镜显示TPS具有与硫不同的表面形貌,接触角测定表明水滴与TPS表面的接触角为35°,而硫表面的接触角为115.,XRD和IR测定证明TPS结构特征为表面经过磷腈基团修饰的硫.复合介孔炭后,TPS电极性能改善,在10mA/g的充放电电流下,其首次放电容量为767mAh/g,第二周容量保持率为84.8％,30次循环后容量为303.8mAh/g.     

层次孔活性炭气凝胶/硫复合正极材料的制备及其电化学性能

以有机气凝胶RC-500为原料,采用低质量比KOH(KOH∶有机气凝胶=3∶1)活化的方法,900℃炭化活化,制备出一种具有层次孔结构的活性炭气凝胶ACA-500-3。将其作为硫载体,与单质硫在155℃熔融复合后制备出含硫量达66.2%的锂硫电池正极复合材料(ACA-500-3-S)。通过N2吸附、SEM、TEM、XRD和XPS等测试手段考察ACA-500-3和ACA-500-3-S的结构和形貌,并利用循环伏安、恒流充放电和交流阻抗等方法研究ACA-500-3-S的电化学性能。ACA-500-3-S在0.2 C(1 C=1 675 m A·g-1)电流密度下,初始放电比容量高达1 287 m Ah·g-1,200圈后比容量保持在643 m Ah·g-1,并表现出良好的倍率性能,明显优于单质硫电极。     

逐步炭化法制备锂-硫电池正极碳/硫复合材料的研究

提出一种逐步炭化法,以稀硫酸、蔗糖和单质硫为原料,制备碳/硫复合正极材料。扫描电镜、透射电镜结果显示:复合材料为粒度分布均匀的核壳结构球体,直径约为3μm;单质硫均匀填充在球体内部。此种结构有利于提高其电化学性能。在0.1C倍率下碳/硫复合正极材料首次放电比容量为1065mAh/g,60次循环之后,放电比容量趋于稳定,150次循环后的比容量仍可达到510mAh/g,库仑效率始终保持在90%以上。表明逐步炭化法可以制备适宜的锂硫电池正极材料。     

不同粘结剂对锂-硫电池电化学性能的影响

采用球磨混合及热复合法制备硫/BP2000复合正极材料(含硫量42%(质量分数)),分别以PTFE、明胶和PEO作为粘结剂,考察了不同粘结剂对锂-硫电池电化学性能的影响。采用热重分析(TGA)、X射线衍射(XRD)、循环伏安法(CV)和恒流充放电表征其物化性能和电化学性能。结果表明,明胶和PTFE对于提高硫正极的电化学性能和维持硫正极的循环稳定性具有积极意义。其中,在0.2 C充放电时,PTFE作粘结剂的电池循环50次后比容量保持741.2 mAh/g,明胶作粘结剂的电池循环50次后放电比容量保持788 mAh/g(按单质硫的质量计算)。     

羟基化多壁碳纳米管掺杂抑制锂硫电池的穿梭效应

为了抑制锂硫电池的“穿梭效应”,改善锂硫电池的电化学性能。正极片掺杂羟基化多壁碳纳米管（MWCNTs—OH）,利用亲水性羟基官能团对多硫化物的吸附作用,阻止多硫化物的扩散,增加有效物质的利用率,抑制穿梭效应的产生,提高锂硫电池的容量和循环性能。利用TEM、SEM和EDS等进行结构和性能表征。电化学测试结果表明,掺杂MWCNTs—OH的锂硫电池,放电容量明显提高。在0.1 C倍率,首次放电比容量达到1 281 mAh/g,首次库伦效率接近96.7%,循环10次后比容量还保持在882 mAh/g。在0.2 C、0.5 C和1 C倍率下充放电时,电池首次放电比容量分别达到794.2 mAh/g、712.2 mAh/g和557.3 mAh/g,显示出极佳的倍率性。      

富氮中空炭微球的制备及其用作锂硫电池的电化学性能

分别以多巴胺和正硅酸乙酯为碳源和硅源,先采用一步法合成出球形C@SiO_2复合材料,然后通过化学刻蚀制得一种表面积达875 m2·g-1、表面富含N原子的中空炭微球(N-HCS)。N-HCS独特的纳米结构可以有效地抑制硫在充放电过程中的体积膨胀和聚硫化物的穿梭效应,同时表面掺杂的氮能够提高活性物质的导电性,进而提高正极材料的循环稳定性和大倍率性能。结果表明,该碳/硫复合材料的在0.2 C电流密度下的首次放电容量达1 179 mAh·g~(-1);经100次反复充放电后,其放电容量仍可保持在540 mAh·g~(-1);具有较好的大电流倍率性能,在电流密度为1 C和2 C时,其可逆放电容量可分别稳定在343 mAh·g~(-1)和247 mAh·g~(-1)。     

高能球磨法制备PTFE/科琴黑-C柔性复合材料及其电化学应用

对荷叶进行多阶温度炭化得到前驱炭材料,将材料与科琴黑（KB）、聚四氟乙烯（PTFE）按照2:2:3的质量比球磨混合后真空抽滤制备一种锂硫电池中间层柔性材料,PTFE/KB-C复合材料的多孔结构能为高阶硫化物Li₂S_n（4≤n≤8）的进一步还原提供较多的三相反应位点,并利用PTFE/KB-C复合材料良好的多层多孔化学吸附作用来抑制可溶性多硫化物的穿梭。该中间层在以纯硫材料为正极的锂硫电池电性能测试表征中,1.0 C（电流密度1 675 mA·g-1）倍率下首次放电比容量达1 350 mAh·g-1,没有硝酸锂添加剂条件下经过100次充放电循环后比容量依旧保持在960 mAh·g-1,库伦效率基本在95%以上,保持了良好的循环稳定性。      

废头发衍生的硫掺杂碳负极材料的储锂性能

理发店每天都会产生大量主要成分为角蛋白、含有氮、碳、硫和氧等元素的废弃头发,它是一种良好的生物质碳前体,将其直接掩埋或焚烧会造成资源浪费及环境污染.本研究通过碳化反应从废弃头发中提取出硫掺杂碳材料,并考察该材料的形貌、微观结构及储锂性能.研究结果表明,硫掺杂碳为无定型结构,由粒径不等的微/纳颗粒组成;在电流密度0.5 A·g-1充/放电时,电极的可逆容量稳定在376.7 mAh·g-1,且在1.0 A·g-1循环充/放电500圈时的可逆储锂容量为216.6 mAh·g-1;锂离子扩散系数为4.5×10-7 cm2·s-1,高于相关文献报道的结果.该研究结果对废弃头发回收利用有积极的推动作用.     

花瓣状纳米硫和球状纳米硫的制备及性能

锂硫电池因能量密度高、环境友好,被认为是最有希望的新一代能源储存装置。但是,多硫化物穿梭效应和体积膨胀等问题是锂硫电池目前所面临的巨大挑战。通过化学合成法制备了不同形貌且具有稳定规则结构的纳米硫,为电池在充放电过程中提供更多的活性位点,有效减少正极活性物质的损失,使电池的电化学性能得到提升。结果表明,花瓣状纳米硫材料在0.1C的电流密度下有740.72 mAh/g的初始容量,100次循环后容量保持在362.07 mAh/g;球状纳米硫材料在0.1C的电流密度下初始容量为825.30 mAh/g,100次循环后容量保持在418.06 mAh/g,每圈的容量衰减率仅为0.493%。     

膨润土/硫复合材料在锂硫电池中的应用

以膨润土作为单质硫的载体,热处理得到含硫50%(质量分数)的膨润土/硫复合材料,采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和比表面分析仪对复合材料进行结构、形貌和孔径分析,通过充放电性能测试和交流阻抗对锂硫电池进行电化学性能分析。电化学测试结果表明,在1.0~3.0V电压范围内,以0.2、0.5C大小的电流密度对电池进行充放电性能测试,首次放电比容量分别为795.6和586.0mAh/g,100次循环后对应的放电比容量分别为488.5和421.5mAh/g,容量保持率分别为61.3%和71.8%。     

多孔兰尼镍作单质硫载体的锂硫电池性能

提出以导电多孔兰尼镍（RNi）为锂硫电池中单质S的新载体材料,探究了S/RNi复合材料在溶剂法、研磨高温法及球磨高温法下的电化学性能差异。结果表明,溶剂法制备的S/RNi复合材料的电化学性能最好。预处理后的RNi为海绵状的导电多孔结构,孔径分布在12.5~50 nm之间。SEM和XRD表明,溶剂法制备的S/RNi复合材料具备良好的孔结构,单质S颗粒较小,均匀分布在深层孔结构中,S与RNi充分接触。其首次放电比容量达到1 479 mAh/g,经过200次充放电循环后放电比容量保持在765 mAh/g,库伦效率约为99%。其循环性能也优于传统S/C复合材料。溶剂法制备的S/RNi复合材料的循环稳定性和高倍率性能得益于RNi的导电性及对单质S的物理和化学吸附。     

锂硫电池正极材料Ni_3S_2/C/S的制备及电化学性能

以配合物为模板和镍源,蔗糖为碳源,通过一步高温法获得片状硫化镍/炭(Ni_3S_2/C)材料。采用XRD,SEM,FT-IR,XPS对制备的材料进行表征。以此材料作为锂硫电池正极活性物质的载体并进行充放电等测试,结果表明,在0.2C的倍率下,硫电极首次放电容量为1392.7mAh/g,循环100次后的放电容量仍然保持有1009mAh/g,表现出较高的放电比容量和良好的循环稳定性。进一步研究表明Ni_3S_2在改善硫电极性能和抑制穿梭效应发挥重要作用。     

基体碳材料对锂硫电池性能影响的研究

采用乙炔黑、土状石墨、Cabot Vulcan XC-72炭黑、Cabot Bp2000超级导电炭黑作为硫载体制备了一系列含硫复合材料。通过X射线粉末晶体衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析(BET)等分析测试手段对材料的物理性能进行表征,利用电池测试系统对材料的电化学性能进行了测试。结果表明基体材料表面结构、孔径分布及比表面积等因素都对复合材料的电化学性能造成影响,综合性能最好的基体材料为BP2000超级导电炭黑,其初始放电比容量高达1385.1mAh/g,在室温下经过30次循环之后电池放电比容量仍保持在1080.2mAh/g,容量保持率高达78%。