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。     

无粘结剂三维石墨烯-硫正极的电化学性能研究

为提高电极中硫的负载量,采用水热法和热处理法制备了锂硫电池用无粘结剂三维石墨烯-硫正极材料,用比表面积测试仪、电子扫描电镜、电化学工作站以及电池测试系统对电极的比表面积、微观表面形貌和电化学性能进行了表征.结果表明:所制备的无粘结剂三维石墨烯-硫电极的最高放电比容量为517.3 mAh/g,50次循环后,放电比容量仍能保持在448.9 mAh/g,表现出较高的比容量和良好的循环性能.     

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。     

不同管径多壁碳纳米管与硫含量对锂硫电池单质硫正极电化学性能的影响

采用分段加热法合成了不同管径、不同硫含量的单质硫-多壁碳纳米管(S-MWCNT)复合材料,利用电化学方法、SEM、TEM、比表面吸附等分析方法,筛选出以10~20 nm直径的MWCNT为核,质量分数85%硫为壳的最优化条件下的复合材料。SEM测试显示单质硫均匀填充到MWCNT的中空管和层间的孔中形成了结构稳定的复合物。在最优化的条件下,复合材料首次放电比容量达1 272.8 mAh·g-1,活性物质利用率为76.0%,循环至第80周时放电容量还保持在720.1 mAh·g-1,容量保持率高达64.4%。与未添加MWCNT的单质硫电极相比,硫复合电极活性物质的利用率和循环性能都得到了较大的改善。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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%。     

锂硫二次电池硫正极复合材料的改性研究进展

在能源问题日益严重的今天,硫正极材料探索与研究越来越受到人们的关注。主要从硫/纳米金属氧化物、硫/导电高聚物、硫/碳、硫/碳/导电高聚物4个方面综述了各种硫正极复合材料的优缺点、制备及改性的方法,重点介绍了不同的复合材料对电化学性能的影响,为新型硫正极材料的制备和改性指明了方向。     

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。     

CeO2纳米晶的添加对锂硫电池电化学性能的影响

以Ce(OH)₄为原料, 采用热分解法制备得到粒径小于10 nm的CeO₂纳米晶。制备得到的CeO₂纳米晶表面存在丰富的羟基和硝基, 作为硫正极添加剂, 一方面可以有效吸附硫和多硫化锂, 抑制多硫化锂在电解液中的溶解和穿梭效应的发生, 进而提高电池的循环性能。同时, 可以改善电极和电解液之间的接触性, 提高活性物质利用率。其中, 含有5wt%的CeO₂纳米晶的锂硫电池在0.1C和0.5C(1C=1675 mA/g)的充放电倍率下, 100周之后放电比容量分别达750 mAh/g和598 mAh/g, 远高于不含有CeO₂纳米晶的523 mAh/g和395 mAh/g, 同时, 循环前后的电池阻抗也明显降低。     

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。     

锂硫电池硫/导电聚合物正极材料的研究进展

综述了锂硫电池硫/导电聚合物正极材料的研究进展。重点探讨了导电聚合物在硫基正极材料改性中的制备方法、结构设计,并对其中存在的问题进行了分析。最后对硫/导电聚合物正极材料的进一步发展及商业化应用进行了展望。     

α-MoC1–x纳米晶富集碳球修饰隔膜对锂硫电池性能的影响

采用自组装及热处理方法合成α-MoC1-x纳米晶富集的纳米碳球(α-MoC1-x/CNS),并将其涂覆在商用聚丙烯隔膜上,对隔膜实现了界面修饰。电化学性能显示,与普通的聚丙烯隔膜相比,采用修饰的α-MoC1-x/CNS-PP隔膜组装的锂硫电池的循环稳定性和倍率性能均得到明显提升,在0.5C条件下,电池首周放电比容量提升至1129.7 mAh/g,经过100周充放电循环后,电池仍具有855.5 mAh/g的放电比容量,且在此循环过程中,库伦效率始终大于98%。在自放电测试中,电池经过48h静置后的容量损失率仅为7.7%。结合α-MoC1-x/CNS的微观形貌及XPS分析可知,在锂硫电池充放电过程中,α-MoC1-x/CNS修饰层有效地阻挡了多硫化锂向负极侧的扩散迁移,且当α-MoC1-x与多硫离子接触时能产生Mo-S键、硫代和连多硫酸根产物,进一步巩固了活性物质被约束的程度,从而使电池性能得到提升。     

工作温度对钠-氯化镍电池正极结构及电化学性能的影响

钠-氯化镍电池是一种中温电池, 研究温度对电池性能的影响具有重要意义。本工作研究了工作温度对含硫电池和不含硫电池的正极结构和电化学性能的影响。研究发现, 无论电池的正极中是否含有单质硫, 适当地降低电池工作温度都能提高电池的循环性能。降低电池工作温度能降低颗粒的表面活性, 减缓金属镍颗粒的团聚长大, 进而提高电池循环性能。但当工作温度进一步降低时, 电化学反应速率、Na⁺迁移速率和熔融金属钠与β″-Al₂O₃的润湿性也会随之变差, 电池性能反而会下降。无论电池正极中是否含硫, 钠-氯化镍电池最佳的工作温度约为260℃。