金属有机骨架材料在锂硫电池正极中的应用

锂硫电池因其具有高的理论能量密度,近年来成为高性能二次电池领域的研究热点。为了有效提升锂硫电池的电化学性能,具有孔径分布可控、孔隙率高以及易于功能化等诸多优点的金属有机骨架(MOFs)材料被广泛探索研究。通过对MOFs材料进行修饰改性,制备的多种MOF复合材料、MOF衍生材料表现出了更优的电化学性能,有效提升了电极反应动力学、改善了电池循环性能。针对当前锂硫电池研究中的关键问题,对各类MOFs材料、MOF复合材料和MOF衍生材料在锂硫电池正极中应用的研究进展进行了综述,并对未来MOF基材料在锂硫电池正极中应用的发展趋势作出了展望。     

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。     

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.     

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。     

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...     

功能互补炭材料及其在锂硫电池中电化学性能

由于锂硫电池成本低、理论能量密度高、安全、环保,使其极具潜力成为下一代新能源储能体系。但循环过程中电极材料结构产生破坏及多硫穿梭效应是锂硫电池容量衰减的主要原因。为此,本文提出了采用功能互补的炭材料-氮掺杂石墨烯包覆CMK-3材料(N-(CMK-3@G))来解决该问题。该材料基于功能互补原理,利用CMK-3防止石墨烯堆叠及二维石墨烯包覆在CMK-3外面抑制多硫穿梭,并采用氮掺杂的化学吸附提高锂硫电池正极的电化学性能。以N-(CMK-3@G)/S复合材料作为锂硫电池正极,在电流密度为335 mA·g~(-1)时,300次循环后其可逆放电容量为867.3 m Ah·g~(-1),容量保持率为82%。与N-CM K-3/S和N-G/S正极相比,N-(CM K-3@G)/S复合电极倍率性能及极化特性都得到了较大的改善。从炭材料功能出发,对材料设计,不仅可结合CMK-3及石墨烯的功能特点,形成作用互补,提高锂硫电池的循环性能,且氮掺杂可通过化学作用强化对多硫吸附,抑制多硫离子的穿梭,进一步提高锂硫电池性能。     

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.     

锂硫电池隔膜的应用研究进展

锂硫电池存在正极活性材料导电性差、穿梭效应、锂枝晶生长等一系列问题,限制了其商业化发展.本文阐明了锂硫电池的工作原理和性能缺陷,介绍了隔膜改性的研究现状,从功能改性材料和静电纺丝生产工艺两方面总结了隔膜改性的主要思路和作用机理.     

金属有机骨架化合物及其衍生物在锂硫电池中的应用研究

在全世界积极倡导开发清洁能源的时代背景下,锂硫电池因其具有高比容量、高比能量以及原料廉价易得等优点,成为电池研究中的热点.锂硫电池的发展仍存在较多障碍,例如正极材料导电性能差、多硫化物存在穿梭效应以及在充放电过程中电极体积发生变化等,为了解决这些问题,研究者们将金属有机骨架化合物及其衍生物应用到锂硫电池中.综述了近几年金属有机骨架化合物及其衍生物在锂硫电池中的应用研究进展,重点讨论了其在正极材料中的应用.     

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。     

柔性储能电池电极的设计、制备与应用EI北大核心CSCD

随着便携式、可穿戴电子器件的迅速发展,柔性储能器件的研究逐渐转向微型化、轻柔化和智能化等方向。同时人们对器件的能量密度、功率密度和力学性能有了更高的要求。电极材料作为柔性储能器件的核心部分,是决定器件性能的关键。柔性储能电子器件的发展,又迫切需要新型电池技术和快速、低成本且可精准控制其微结构的制备方法。因此,柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池等新型储能器件的研发成为目前学术界研究的热点。本文论述了近年来柔性储能电池电极的研究现状,着重对柔性电极材料的设计(独立柔性电极和柔性基底电极)、不同维度柔性电极材料的制备工艺(一维材料、二维材料和三维材料)和柔性储能电极的应用(柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池)进行对比分析,并对电极材料的结构特性和电化学性能进行了讨论。最后,指出了柔性储能器件目前所面临的问题,并针对此类问题展望了柔性储能器件未来的重点在于新型固态电解质的研发、器件结构的合理设计及封装技术的不断优化。     

Preparation of nitrogen-doped three-dimensional hierarchical porous carbon/sulfur composite cathodes for high-performance aluminum-sulfur batteries

Abstract

Aluminum-ion batteries, as a feasible substitute for lithium-ion batteries, have the advantages of high safety, high capacity, low cost and environmental friendliness. However, the cathode material is one of the key factors restricting the performance and practical application of aluminum-ion batteries. Sulfur is becoming a promising cathode material for aluminum-ion batteries due to its considerable theoretical specific capacity. However, the poor conductivity of elemental sulfur seriously limits the development of aluminum-sulfur batteries. In this work, nitrogen doped three-dimensional multi-stage porous carbon materials (N-C/S) were prepared, which were compounded with sulfur to prepare carbon sulfur composite cathode materials. The microstructure, phase morphology, element composition and electrochemical performance were analyzed by various characterization methods. Then, N-C/S composite was used as a positive electrode to assemble a new type of aluminum-sulfur batteries, and its performance was evaluated. This novel high-performance N-C/S composite cathode holds great potential in future high-performance aluminum-sulfur batteries.     

Structure evolution of layered transition metal oxide cathode materials for Na-ion batteries: Issues,mechanism and strategies

Due to the obvious benefits of abundant resources and low cost of sodium, sodium-ion batteries have enormous development potential and a broad market outlook in the field of large-scale energy storage and low-speed electric cars. Layered oxide cathode material is considered as one of the most promising cathode materials for sodium-ion batteries due to its high energy density, rich variety, simple synthesis method and low environmental pollution. However, the layered oxides of sodium-ion batteries suffer from instability in air storage and unstable electrochemical performance during cycling. This review summarizes surface and bulk structural evolution in air exposure and during cycling to reveal the relationship between structure evolution, charge transfer mechanisms and electrochemical performance, which is of great significance for designing advanced electrode materials. The strategies based on the degradation mechanisms for layered oxides cathode materials are also discussed for the future development and industrialized application. We hope that this review will provide a basis for an accurate understanding of the structural evolution of layered oxides and provide some inspiration for the design and development of electrochemical systems with excellent performance.     

Recent Progress in Iron‐Based Electrode Materials for Grid‐Scale Sodium‐Ion Batteries

Grid‐scale energy storage batteries with electrode materials made from low‐cost, earth‐abundant elements are needed to meet the requirements of sustainable energy systems. Sodium‐ion batteries (SIBs) with iron‐based electrodes offer an attractive combination of low cost, plentiful structural diversity and high stability, making them ideal candidates for grid‐scale energy storage systems. Although various iron‐based cathode and anode materials have been synthesized and evaluated for sodium storage, further improvements are still required in terms of energy/power density and long cyclic stability for commercialization. In this Review, progress in iron‐based electrode materials for SIBs, including oxides, polyanions, ferrocyanides, and sulfides, is briefly summarized. In addition, the reaction mechanisms, electrochemical performance enhancements, structure–composition–performance relationships, merits and drawbacks of iron‐based electrode materials for SIBs are discussed. Such iron‐based electrode materials will be competitive and attractive electrodes for next‐generation energy storage devices.     

Mesoporous Nitrogen‐Doped Carbon Nanospheres as Sulfur Matrix and a Novel Chelate‐Modified Separator for High‐Performance Room‐Temperature Na‐S Batteries

Room‐temperature sodium‐sulfur (RT/Na‐S) batteries are considered among the most promising next‐generation energy storage and conversion systems because of the earth‐abundant reserves of sodium and sulfur. These batteries also possess the advantages of high theoretical gravimetric capacity, high energy density, and low cost. Herein, highly uniform Fe³⁺/polyacrylamide nanospheres (FPNs) are fabricated on a large‐scale by a facile, low‐cost approach. Subsequently, mesoporous nitrogen‐doped carbon nanospheres (PNC‐Ns), obtained by carbonizing FPNs, are applied as a sulfur matrix to improve the utilization of sulfur, enhance the overall conductivity of the cathode, and inhibit the shuttling of sodium polysulfides (SPSs). In addition, graphene and FPNs are simultaneously coated onto the side of the separator to form a FPNs‐graphene‐functionalized separator (FPNs‐G/separator); here, the mesoporous FPNs effectively anchor and block the SPSs, while the large specific area graphene sheets eliminate the intrinsic mechanical brittleness of the FPNs and improve the overall conductivity of RT/Na‐S batteries. When S/PNC‐Ns as a cathode and FPNs‐G/separator are assembled into an RT/Na‐S battery, it delivers a high discharge capacity (639 mAh g^‐1 at 0.1 C after 400 cycles), stable cycle life (396 mAh g^‐1 at 0.5 C after 800 cycles), and good rate performance (228 mAh g^‐1 at 2 C).     

Dealloying-derived nanoporous deficient titanium oxide as high-performance bifunctional sulfur host-catalysis material in lithium-sulfur battery

In this work,we report a facile dealloying strategy to tailor the surface state of nanoporous TiO2 towards high-efficiency sulfur host material for lithium-sulfur(Li-S)batteries.When used as a sulfur cathode material,the oxygen-deficient TiO2-x exhibits enhanced lithium polysulfides(LiPS)adsorption and con-version kinetics that effectively tackle the shuttle effect in lithium-sulfur batteries.The excellent ability of the oxygen vacancy sites on TiO2-x surface to trap LiPS is proved by experimental observations and density functional theory(DFT)calculations.Meanwhile,it also promotes conversion kinetics of lithium polysul-fides,as verified by the asymmetric cell experiment.Accordingly,compared with the S/TiO2 cathode,the oxygen-deficient S/TiO2-x electrode exhibits preeminent rate and cycling performance in lithium-sulfur batteries:it delivers an ultra-low capacity decay of0.039％per cycle after 1000 cycles at 1 C.Tunning the surface state of metal oxides by dealloying method offers a new facile strategy to design efficient sulfur cathode materials for lithium-sulfur batteries.     

锂离子电池硅基负极用粘结剂的设计改性进展

发展锂离子电池是缓解当前能源和环境问题的有力措施,但其能量密度已无法满足未来储能装置的高要求.发展高比能量型锂离子电池必须从提高电极材料的性能入手.硅基材料具有容量高、成本低、平台电压低等优点,被认为是最具潜力的负极材料.然而,该类材料在充放电过程中会发生巨大的体积变化(300％),导致电池容量下降严重甚至失效.近年来...