锂/硫电池的研究现状、问题及挑战

锂/硫电池是以金属锂为负极、单质硫为正极而构筑的二次电池体系。锂/硫电池具有高的理论能量密度 (2600 Wh/kg), 成为最具发展潜力的高能化学电源体系。但这种基于溶解?沉积反应的锂/硫电池体系仍面临一些无法避免的问题, 包括金属锂负极的显著结构变化、硫正极材料存在的活性物质利用率低和循环性能差等缺点, 制约了锂/硫电池的发展。本文结合近年来关于锂/硫电池的突破进展, 简要阐述了锂/硫电池的研究现状、问题及面临的挑战。     

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。     

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。     

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。     

二硫化钼对锂硫电池正极材料性能的影响机理

炭黑具有良好的导电性、价格较低、来源稳定、可大量制备等优点,可有效提高硫正极材料的导电性,改善电极的动力学性能.二维层状结构的二硫化钼(MoS2)因其含有的金属-硫键可以与多硫化物通过静电作用或化学键作用结合,从而可以有效地抑制锂硫电池存在的穿梭效应,提高锂硫电池的倍率性能.本文采用球磨法和水热法制备了硫/炭黑复合材料...     

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。     

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。      

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.     

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。     

过渡金属硒化物用作锂硫电池正极材料的进展

锂硫电池以地球中储量丰富的硫为正极，是目前研究最为广泛的电池之一。然而，锂硫电池充放电反应过程中的体积膨胀，多硫化物的穿梭效应以及金属锂腐蚀等问题严重阻碍了其商业应用。在过渡金属基材料中，过渡金属硒化物因具有良好的导电性、催化性、亲锂性和亲硫性，已成为研究热点，有望成为新型锂硫电池的高效催化剂。但这些过渡金属硒化物与多硫化锂的作用有限，仍需进一步明确其作用机理，以期实现锂硫电池最优的电池性能。     

导电聚合物在锂硫电池中的研究与应用

锂硫电池因其具有高比能量以及硫廉价易得等优点,成为电池研究的焦点,但其也存在硫的导电性差、反应过程中产生的多硫化物会溶解于电解质中且电池会膨胀等问题。总结了近几年导电聚合物在锂硫电池中的研究进展,重点讨论了导电聚合物在正极材料、电解质、粘结剂和隔膜中的研究与应用。     

锂硫电池正极材料的研究进展

能源领域未来发展趋势着重于绿色清洁能源,锂硫电池以其高比能量以及成本低廉等优点,成为电池研究中的新热点。然而,目前锂硫电池仍存在较多问题阻碍其商业化,如正极材料硫导电性能差、正极产物多硫化物的穿梭效应、在充放电过程中,电池内部电极表现出体积膨胀等。本研究综述了近年来锂硫电池正极材料的研究进展,主要讨论了金属有机骨架化合物、碳材料以及导电聚合物在锂硫电池正极材料中的应用,并对锂硫电池正极材料的发展进行了展望。     

多壁碳纳米管纸作正极集流体的锂硫电池性能

为了改善锂硫电池的循环性能,以纸纤维为基体,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电剂,采用真空抽滤法制得MWCNTs导电纸,并将MWCNTs导电纸作为正极集流体代替铝箔应用于锂硫电池。对MWCNTs导电纸进行了形貌结构表征和电化学性能测试,并对循环后的MWCNTs导电纸电极进行EDS检测。结果显示,MWCNTs均匀地附着在纸纤维基体上,多空隙的MWCNTs导电纸三维结构明显。采用MWCNTs导电纸作集流体的锂硫电池在0.05C和1C倍率充放电下循环30次,比容量分别保持615mAh/g、496mAh/g,库伦效率达97.5%以上,且电荷转移电阻在循环后降低。EDS元素分析结果证实MWCNTs导电纸对多硫化锂有吸附作用,从而一定程度抑制了锂硫电池的穿梭效应。因此,以MWCNTs导电纸作为集流体能有效增加活性物质硫的负载量和接触面积,使锂硫电池具有良好的循环稳定性和库伦效率性能。     

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。     

锂硫电池正极富氮粘结剂的制备与性能研究

理想的锂硫电池正极用聚合物粘结剂不仅应具有良好的粘附性能,还应有丰富的极性基团以吸附多硫化物,抑制穿梭效应。通过壳聚糖(CS)与含大量氨基的聚乙烯亚胺(PEI)通过氢键作用结合,合成了一种富氮粘结剂(CS&PEI)。结果表明,与未改性的CS粘结剂相比,CS&PEI粘结剂具有更好的粘结性能和对多硫化物的吸附性能。使用CS&PEI粘结剂组装的锂硫电池具有更加优异的倍率性能和长循环稳定性。在0.2 C循环150次后,锂硫电池的比容量仍然保持为814 mAh/g。