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。     

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。     

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。     

聚合物锂盐在锂离子电池电解质中的应用EI北大核心CSCD

锂盐是获得安全性能良好的锂离子二次电池的重要因素。聚合物锂盐具有高电导率、宽电化学窗口、良好热稳定性和电化学稳定性,以及在全固态锂离子电池中的应用引起了国内外研究者的关注。文中分析了聚合物锂盐的结构与电池性能之间的关系,包括结构对材料的热稳定性、力学性能、锂离子迁移数、离子电导率和电化学窗口等的影响。总结了聚合物锂盐的合成方法,综述了均聚物型、共聚物型和离子液体型等具有代表性的聚合物锂盐在锂离子电池电解质中的应用研究进展,并对未来新型锂盐的研究方法及发展方向进行了展望。     

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(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。     

锂离子电池厚电极结构设计的研究进展EI北大核心CSCD

为了满足储能系统和电动汽车市场对于高能量密度和快充的需求,兼具高能量和高功率密度的锂离子电池得到了广泛的关注。厚电极结构设计能够显著提高电池的能量密度并降低成本,且能与各种电极材料相兼容,是发展高能量密度锂离子电池的研究热点之一。厚电极通常面临着力学性能差和反应动力学慢等问题,因此构建力学性能良好和完善的锂离子及电子传输网络的厚电极至关重要。本文首先分析了厚电极的电化学特性和关键科学问题,然后梳理了目前构建厚电极的各种策略及其优势,最后探讨了厚电极的设计原则和发展方向。     

基于工业化碳材料的锂氟化碳电池正极材料制备及性能EI北大核心CSCD

为实现锂氟化碳电池在更多领域的普遍应用,以工业化碳材料(活性炭、球形石墨、膨胀石墨和工业石墨烯)为碳源,制备了四种氟化碳正极材料。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FTIR)、X射线能谱(XPS)、氮气吸脱附以及电化学测试等表征手段对材料的微观形貌、晶体结构、化学结构和电化学性能进行了系统的研究。研究表明:氟化工业石墨烯具有完全的单氟化碳结构、高比表面积以及稳定的碳结构,在20 mA·g^(-1)的放电电流下可以实现高达945.4 mAh·g^(-1)的比容量;氟化活性炭具有较多的半共价C-F键,其起始放电电压最高,但是由于其结构稳定性较差,电压平台快速下降,导致整体比容量较低;氟化膨胀石墨和氟化球形石墨与氟化工业石墨烯结构类似,但是由于高氟化碳原子(CF_(2)和CF_(3))的存在,其放电比容量要低于氟化工业石墨烯。不过在高放电电流密度下,氟化膨胀石墨、氟化球形石墨和氟化工业石墨烯的能量密度十分接近,因此,基于氟化膨胀石墨和氟化球形石墨的成本优势,氟化膨胀石墨和氟化球形石墨更适合于高功率应用场景。     

锂硫电池硫正极反应机理研究进展

详细地讨论了锂硫电池正极电化学反应机理,论述了利用紫外-可见光谱(UV-vis)、高效液相色谱(HPLC)和液相色谱-质谱联用(LS-MS)多种测试手段对电极反应过程的研究进展,分析了导致锂硫电池循环可逆性差的因素,并对其商业化应用进行了展望。     

Boron-doped microporous nano carbon as cathode material for high-performance Li-S batteries

In this study,a boron-doped microporous carbon (BMC)/sulfur nanocomposite is synthesized and applied as a novel cathode material for advanced Li-S batteries.The cell with this cathode exhibits an ultrahigh cycling stability and rate capability.After activation,a capacity of 749.5 mAh/g was obtained on the 54th cycle at a discharge current of 3.2 A/g.After 500 cycles,capacity of 561.8 mAh/g remained (74.96％ retention),with only a very small average capacity decay of 0.056％.The excellent reversibility and stability of the novel sulfur cathode can be attributed to the ability of the boron-doped microporous carbon host to both physically confine polysulfides and chemically bind these species on the host surface.Theoretical calculations confirm that boron-doped carbon is capable of significantly stronger interactions with the polysulfide species than undoped carbon,most likely as a result of the lower electronegativity of boron.We believe that this doping strategy can be extended to other metal-air batteries and fuel cells,and that it has promising potential for many different applications.     

锂离子电池正极材料的研究进展

研究与开发新型的电池正极材料是锂离子电池研究中的一项重要内容．目前正极材料的研究主要集中于3种富锂的金属氧化物LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4。本文主要介绍了锂离子电池正极材料的合成方法,同时比较了几种不同电极材料的结构以及电化学性能,指出了其工作特点和存在问题,并对该领域的研究现状进行了简要的综述。本文还介绍了锂离子电池正极材料计算研究的进展。利用VASP软件包可计算形成能、相图、电压和材料的晶体结构参数及态密度等。     

纳米红外吸波材料的研究进展

红外吸波材料在现代隐身技术、节能、绝热等领域具有广泛的应用.扼要介绍了纳米材料的红外吸收机制和红外吸波特点,综述了纳米技术在红外吸波材料中的研究和应用现状.     

钒酸盐材料用于水系锂离子电池负极的研究

负极材料是目前制约水系锂离子电池的关键因素。钒酸盐材料因为较高的比容量和合适的脱嵌锂电位被广泛用于水系锂离子电池的负极。结合研究结果,对钒酸盐材料在水系锂离子电池领域的研究现状进行了综述,重点对相关材料的晶体结构、电化学性能和容量衰减机制进行了分析,提出了进一步改善水系锂离子电池电化学性能的措施。     

Sn/SnO2/Mwcnt composite anode and electrochemical impedance spectroscopy studies for Li-ion batteries

Tin/tinoxide/multi-walled carbon nanotube (Sn/SnO₂/MWCNT) core-shell structure nanocomposite anode is produced by thermal evaporation and subsequent plasma oxidation with using MWCNT buckypaper. Metallic tin is evaporated onto free-standing and flexible MWCNT buckypaper having controlled porosity and subsequent RF plasma oxidized in Ar:O₂(1:1) gas mixture. X-ray diffraction and scanning electron microscopy are used to determine the structure and morphology of the obtained nanocomposite. The electrochemical characteristics of the nanocomposite anode are examined by using electrochemical impedance spectroscopy and galvanostatic charge–discharge experiments. Family of Nyquist plots during first discharge process are obtained and studied at different voltage values.     

锂离子电池硬碳负极材料研究进展

硬碳具有嵌锂容量大,造价低,循环寿命长等优点,是制备高安全性锂离子电池负极潜在的优良材料。介绍了硬碳材料的结构、特性及其用途,并综述了硬碳材料改性的研究发展。     

锂离子电池凝胶聚合物电解质制备技术进展

综述了近几年锂离子电池凝胶聚合物电解质的制备技术进展,主要介绍了溶液浇铸法、倒相法和现场聚合等工艺的优缺点。现场聚合工艺流程简单、产品成本低,有极其广阔的发展前景。通过添加无机纳米粒子改善凝胶聚合物电解质的性能是目前的研究热点和发展趋势。     

基于OMMT/PVDF-HFP的锂离子电池用复合聚合物电解质

对蒙脱石进行改性,并用直接挥发溶剂法制备有机蒙脱石/聚偏氟乙烯-六氟丙烯复合聚合物电解质。用扫描电子显微镜和X射线衍射等对所制电解质性能进行表征,用交流阻抗和充放电实验研究聚合物电池的电化学性质。结果表明：直接挥发溶剂法制得的复合聚合物膜呈蜂窝状,孔穴丰富,强度增加,浸取电解液后室温离子电导率为1.51 mS/cm,电化学稳定窗口为5.5V;以LiCoO₂为正极制得的聚合物电池0.1C充放电,50次循环后容量保持率达到95.3%,倍率放电能力较好,有机蒙脱石的加入可改善电池的电极界面性质,提高电池充放电循环性能。     

锂离子电池用固体聚合物电解质的最新进展

全固态聚合物电解质由于其突出的安全性能,在锂离子电池中具有潜在的应用前景,其研究备受关注.本文综述了锂离子电池用全固态聚合物电解质的最新研究进展.主要关注的是电化学性能,尤其是室温附近的离子电导率.对性能较好的聚合物固体电解质体系进行了概述.     

氟化多壁碳纳米管作正极对锂/氟电池性能的影响

通过对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行氟化改性,获得氟碳原子比分别为0.28(CF0.28),0.56(CF0.56),0.78(CF0.78)的氟化多壁碳纳米管。将氟化多壁碳纳米管作正极活性物质涂覆于铝箔,金属锂片为对极,组装成锂/氟化多壁碳纳米管(Li/CFx)一次纽扣电池。采用热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)进行结构和性能表征,通过恒流放电检测电池的电化学性能。结果表明:活性物质为CF0.78的正极电极的电化学性能最佳,在电流密度为39mA/g时放电比容量达724mAh/g,同时出现了稳定的放电平台。在0.05C放电倍率时,3种电极的活性物质利用率分别达到73.4%,89.6%,92.9%。相比0.05C,2C放电倍率下的放电比容量衰减率分别为68.8%,34.1%,39.6%,表明提高氟化程度,能够降低放电比容量衰减率,虽CF0.78相对CF0.56的放电化容量衰减率有所上升,但在相同放电倍率时,其放电曲线稳定性是最好的。