锂-硫二次电池界面反应的特殊性与对策分析

锂-硫电池是在现有锂离子电池基础上最可能实现储能密度大幅提升的实用二次电池体系. 然而,这一电池体系的电化学利用率与循环稳定性仍然难以满足应用要求. 造成锂-硫电池性能不稳定的原因在于硫正极和锂负极的材料结构和反应环境始终处于变化之中,如在充放电过程中,硫-碳反应界面的电化学阻塞、中间产物的溶解流失、正负极之间的穿梭效应等副反应导致正极与负极均难形成稳定的电化学反应界面。针对这些特殊问题,本文简要分析了影响能量利用率和循环稳定性的化学与电化学机制,并提出了构建稳定锂负极与高效硫正极的若干可行性技术.     

固态锂硫电池研究进展（英文）

固态锂硫电池具有高能量密度和高安全性的潜在优势,被认为是最有前景的下一代储能体系之一。虽然固态电解质的应用有效地抑制了传统锂硫电池存在的“穿梭效应”和自放电现象,固态锂硫电池仍面临着多相离子/电子输运、电极/电解质界面稳定性、化学-机械稳定性、电极结构稳定性和锂枝晶生长等关键问题亟待解决。针对以上问题,本综述对近年来固态电解质、硫基复合正极、锂金属及锂合金负极以及电极/电解质界面的研究进行了详细的论述。作为固态锂硫电池的重要组成部分,固态电解质近年来受到了研究者们的广泛关注。本文首先对在锂硫电池中得到广泛应用的聚合物基、氧化物基、硫化物基固态电解质的种类和性质进行了概述,并对其在固态锂硫电池中的最新应用进行了系统的总结。在此基础上,对以单质硫、硫化锂、金属硫化物为活性物质的复合硫正极、锂金属及锂合金负极的反应机理以及面临的挑战进行了归纳和比较,对其解决策略进行了总结和分析。此外,对制约固态锂硫电池性能的电极/电解质界面离子/电子输运以及界面相容性问题及其改性策略进行了系统的阐述。最后,对固态锂硫电池的未来发展进行了展望。     

硝酸锂作添加剂对锂硫电池电化学性能的影响

采用充放电测试和交流阻抗测试研究了硝酸锂作电解液添加剂对锂硫电池电化学性能的影响. 采用电子扫描显微镜观察分析了添加剂对锂负极的影响, 探讨了硝酸锂的作用机理.  结果表明, 采用硝酸锂作为锂硫电池电解液的添加剂, 可以在锂负极表面形成具有钝化负极活性表面及保护锂负极的界面膜.  该膜可以抑制电解液中高价态聚硫离子与锂负极的副反应, 避免在锂负极表面形成不可逆的硫化锂, 从而提高锂硫电池的循环性能和放电容量. 采用硝酸锂作添加剂的锂硫电池首次放电比容量达1172 mA?h/g, 循环100次比容量保持为629 mA?h/g.     

锂硫电池先进功能隔膜的研究进展

随着电子设备和电动汽车对储能设备性能要求的不断提高,锂硫电池因其多电子转化化学赋予的高能量密度受到广泛关注.当前锂硫电池的实用化受到库伦效率低、正极容量快速衰减、负极循环性能差等问题的制约.针对锂硫电池上述瓶颈,设计多功能电解质系统有望大幅提升活性材料的利用效率及循环寿命.本文综述了近年来锂硫电池中多功能隔膜系统的研究进展,具体包括面向抑制副反应的选择性透过隔膜、面向正极的低界面电阻隔膜以及面向稳定负极界面的隔膜.并展望了锂硫电池多功能隔膜系统面临的科学挑战与未来发展的机遇.     

锂硫电池中电极过程的原位可视化研究进展

锂硫电池被认为是极具应用潜力的下一代能源存储器件之一.在锂硫电池中,对电极-电解质界面物质结构和演变规律的深入探究及认知对其进一步发展至关重要.本文结合多种原位可视化技术,包括扫描探针显微术、电子显微术、X射线以及光学显微术,概述了近年来在锂硫电池中界面成像分析的研究进展.主要讨论了在硫正极界面、硫/硫化锂演变、多硫化物溶解以及在锂负极界面、固液界面层形成、锂沉积行为等问题,有助于理解锂硫反应的基本原理并提出优化方案.     

高比能锂-硫电池研究进展

随着全球经济快速发展对高效绿色能源需求的不断增长,锂-硫电池因具有较高的能量密度,成为了下一代高能量密度二次电池研发的重点.然而,锂-硫电池面临的循环寿命短、库仑效率低、安全性能差、较高自放电等问题,使其目前还很难实现商品化.锂-硫电池存在的这些问题主要与正极活性硫材料的高绝缘性、放电过程中产生的多硫化物溶解于电解液、硫正极在充放电过程中的体积膨胀与收缩、以及锂负极支晶化等有关.通过从锂-硫电池硫复合正极、电解液、黏结剂和负极等4个方面综述了高比能锂-硫电池的最新研究进展,其中重点介绍了硫正极复合材料的进展情况.     

高容量硫/碳复合正极材料

以锂为负极、硫为正极的锂/硫二次电池,由于其较高的理论能量密度(2 600Wh/kg),而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系.但是,硫正极材料存在的活性物质利用率偏低和循环性能较差等缺点制约了锂/硫电池的快速发展.本文主要综述了基于多孔碳材料负载硫来构筑硫/碳复合材料,进而改善硫电极材料电化学性能的研究进展,多孔碳...     

锂硫电池结构设计研究现状及展望

锂硫电池体系由于理论能量密度高和硫材料资源丰富,成为了极具发展潜力的二次电池之一.但由于放电过程中间产物多硫化物溶于有机电解液,产生穿梭效应,导致活性物质利用率低,造成电池容量损失和循环性能下降,而锂金属枝晶和界面问题同样限制了锂硫电池的进一步发展和利用.研究表明,电池结构设计和改造,如隔膜结构设计、正极夹层设计、正极载硫结构设计以及负极结构设计等方面,有效地缓解了上述问题.本文整理总结了近年来国内外在锂硫电池结构设计上研究思路和进展,并对今后的发展趋势做了进一步展望.     

锂硫电池系统研究与展望

锂硫电池具有高的理论比容量（1675 mAh·g^-1）和能量密度（2600 Wh·kg^-1）,是一种新型的高性能储能电池。本文全面介绍了锂硫电池最新的基础研究,详细阐述了电池的正极、黏合剂、电解质、隔膜、负极和一些最新的锂硫电池组装与结构设计。硫可以和其他材料以不同方式复合后作为正极来提高电池的导电性以及抑制其电池充放电过程中的“穿梭效应”,以此来改善电池性能;在黏合剂和电解质研究方面,可以选择一些与电极配套和功能性的黏合剂以及不同类型的电解质;同样,在隔膜方面也涉及到隔膜类型的选择、复合与改性处理;在负极方面,对于锂片负极可采用涂覆保护薄膜或膜预锂化处理等方法来改善电池的稳定性和安全性;在一些新颖的电池组合方面,过渡层、新型集流体的运用以及电池结构的新设计也极大提高了电池电化学性能。最后,本文分析了现有锂硫电池存在的缺陷和问题,并对未来可能的发展方向进行了预测。     

高性能锂-空气电池材料的研究

以锂为负极,空气为正极的锂-空气二次电池,由于其较高的理论能量密度(5 210 Wh.kg-1)而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系。通过近几年的研究和开发,人们对这一体系的了解不断深入。虽然对其电化学过程中的复杂反应机理尚没有完整系统的理论描述,但是在氧还原催化剂、空气电极材料及电解质材料等方面已开展了一些研究工作。本文综述了锂-空气电池的最新研究进展,对电池的正极材料、电解质和负极材料三个方面的研究进行了介绍,分析了该体系的缺陷及存在的问题,并展望了锂-空气电池的发展方向和前景。     

锂-硫电池研究现状及展望

锂-硫电池由于具有高比能量以及硫廉价易得等优势而受到人们的广泛关注. 但其实际应用仍面临着来自于正极、电解液以及负极等方面的诸多挑战,具体包括硫正极的溶解、多硫化合物的“穿梭效应”及金属锂负极的枝晶问题. 本文以课题组近期的研究结果为主线,综述了近两年来关于锂-硫电池的研究进展,重点探讨了碳硫复合物正极、硫化锂正极、复合隔膜设计和电解液方面的研究进展,并总结了各方面存在的问题.     

“蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器的设计、调控及在锂硫电池正极中的应用研究

锂硫电池具有理论能量密度高等优势,被认为是最有前景的一类新型二次电池.硫正极存在硫和硫化锂的导电性差、可溶性多硫化物的扩散/穿梭、循环过程中硫的体积膨胀以及氧化还原过程慢等问题,严重制约着电池的活性和循环稳定性.设计“蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器应用于锂硫电池正极,可通过调控其“蛋黄”、“蛋壳”和“空腔”结构缓解充放电过程中电极的体积变化,为离子/电子输运提供快速通道,强化对多硫化物的吸附和催化转换作用等,进而提高电极的活性和循环性能,有利于推进锂硫电池的商业化进程.本文总结了“蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器的设计和调控策略,包括单核-单壳、单核-多壳、多核-单壳以及多核-多壳等,并结合锂硫电池的工作特点和目前应用存在的问题,对未来发展前景进行了展望.     

聚合物固态锂电池电解质/负极界面

动力电池领域对锂二次电池的能量密度和安全性提出了更高要求,研究高能量密度固态锂电池对发展新能源产业具有重要意义。相比传统的有机电解液锂离子电池,采用聚合物固体电解质的聚合物固态锂电池不但具有明显提升的安全性,而且能够匹配高容量电极材料,实现能量密度的有效提升。聚合物固态锂电池是最有前景的锂二次电池之一,然而聚合物固体电解质与锂负极间仍存在严重的界面副反应、锂负极表面易生长枝晶等问题。近年来,通过电解质成分调控、电解质力学性能提升、电解质/锂负极界面调控和匹配三维锂负极等手段,聚合物基固态锂电池性能明显提升。基于此,本文介绍了常见的聚合物固体电解质及其与锂负极间的界面挑战,从添加无机填料、使用高强度基底膜、分级层状结构设计、构筑界面缓冲层、交联网络设计以及固态锂负极保护等几个方面综述了提升聚合物基电解质/锂负极界面稳定性的最新研究成果,最后对解决聚合物固体电解质/锂负极界面兼容性的研发方向和发展趋势进行了展望。     

复合导电添加剂对全固态锂硫电池性能影响的研究

使用硫化物固体电解质的全固态锂硫电池由于多硫化物不溶于硫化物固体电解质及硫化物电解质不可燃的特性,得以完全避免穿梭效应并显著提高了电池的安全性能而被认为是极具潜力的下一代储能电池。如何建立并平衡复合正极中离子/电子导电网络且维持复合正极中较高活性物质含量对于全固态锂硫电池至关重要。本文以单质硫为活性物质研究了复合导电添加剂对全固态锂硫电池性能的影响,发现以乙炔黑（AB）为导电碳材料明显优于Super P和Ketjen Black;优化复合正极的组成,发现硫：乙炔黑：固体电解质的质量比为40:20:40时,全固态锂硫电池在室温和60℃下均具有良好的电化学性能。     

锂-空气二次电池关键材料与器件的设计与制备

锂-空气二次电池因拥有超高的理论能量密度及巨大的应用潜力, 有望替代锂离子电池成为下一代高性能化学 电源. 高效、稳定电极的制备以及新型锂-空气电池器件的开发是提升电池电化学性能, 促进其应用的关键. 针对以上 问题, 本文对空气正极材料的开发与设计、锂负极的修饰保护以及锂-空气二次电池器件进行了简要介绍, 并对该领域 进行总结展望     

PEO基聚合物电解质及其锂硫电池性能研究

锂硫电池由于具有高的理论比能量引起了广泛关注,然而传统液态锂硫电池由于多硫化物的“穿梭效应”以及安全问题而限制了其应用,全固态锂硫电池可显著提高电池安全性能并有望解决多硫化物的穿梭问题. 本文采用传统的溶液浇铸法制备了具有不同的[EO]/[Li⁺]的PEO-LiTFSI聚合物电解质,并将其应用于锂硫电池. 研究发现,虽然[EO]/[Li⁺] = 8的聚合物电解质具有更高的离子电导率,但是[EO]/[Li⁺] = 20的电解质与金属锂负极间的界面阻抗更低,界面稳定性更好. Li|PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)|Li对称电池在60 °C,电流密度为0.1 mA·cm^-2时可稳定循环超过300 h,而Li|PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)|Li对称电池循环75 h就出现了短路现象. 基于PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)电解质的锂硫电池首圈放电比容量为934 mAh·g^-1,循环16圈后放电比容量为917 mAh·g^-1以上. 而基于PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)电解质的锂硫电池,由于与锂负极较低的界面稳定性不能够正常循环,首圈就出现了严重过充现象.     

第一性原理计算应用于锂硫电池研究的评述

锂硫电池凭借超高理论容量和能量密度以及硫储量丰富和环境友好等优势被认为是极具发展前景的新一代高能电池体系。然而，活性硫及放电终产物导电性差、多硫化物穿梭效应、硫反应动力学缓慢等关键问题严重制约了其实际应用。研究人员采用硫正极设计、功能隔膜/中间层、电解质改性或固体电解质等策略，在解决以上问题方面取得重要进展。然而，针对锂硫电池内部实时动态反应过程、规律和机制以及电极/电解质界面设计调控策略仍缺乏深入认识。第一性原理计算逐渐发展为化学、材料、能源等诸多学科领域的重要研究工具，有助于从原子/分子水平理解反应中间产物性质、分子/电子间相互作用、电化学反应过程和规律、电极/电解质动态演化过程等，相较于“实验试错法”,其在研究锂硫电池内部多电子和多离子氧化还原反应方面具有显著优势。本文全面综述了运用第一性原理计算研究锂硫电池电极与多硫化物相互作用、充放电反应机制以及电解质三个方面的重要进展，展望了第一性原理计算应用于锂硫电池研究的当前挑战和未来发展方向。     

乙炔黑涂层对锂硫电池性能的影响

锂硫电池的循环放电稳定性较低,因此我们采用一种低成本的方法改善锂硫电池的性能,即在硫电极表面制备乙炔黑涂层并测试了材料的形貌结构及电化学性能。结果表明,在硫含量（质量分数）70%的硫-乙炔黑复合材料中,硫附着在乙炔黑颗粒表面。接着在硫电极表面制备了厚度15 μm左右的乙炔黑涂层,乙炔黑涂层-硫电极的氧化反应电位低于硫电极,说明乙炔黑涂层有助于硫电极氧化反应的进行。与硫电极相比,乙炔黑涂层-硫电极活性物质的聚集程度低于硫电极,乙炔黑涂层-硫电极具有更高的放电比容量和循环放电稳定性。在150次循环充放电后,乙炔黑涂层-硫电极的放电比容量为894 mAh·g^-1。     

锂硫电池硫碳复合正极材料研究现状及展望

二次锂硫电池被视为最具有发展潜力的下一代高能量密度二次电池之一. 但由于正极硫的电导率低（5×10^-30 S·cm^-1）,且在放电过程中产生的中间体多硫化物易溶于有机电解液,致使锂硫电池活性物质利用率降低,溶解后的多硫化物还会迁移到负极,被还原成不溶物Li2S2/Li2S而沉积于负极锂,使电极结构遭受破坏,造成电池容量大幅衰减,循环性能差,从而限制了进一步的开发应用. 研究表明,以碳作为导电骨架的硫碳复合正极材料能在不同程度上解决上述问题,从而有效提高了锂硫电池的放电容量和循环性能. 本文综述了近年来国内外报道的各种锂硫电池正极材料的研究进展,结合作者课题组的研究,重点探讨了硫碳复合正极材料,并对其今后的发展趋势进行了展望.     

高性能锂硫电池研究进展

锂硫电池具有理论比容量高(1675 m Ah·g~(-1))、能量密度高(2600 Wh·kg~(-1))、环境友好、价格低廉等性质,是一种高性能的新型储能电池。这些性能使其在电动汽车和便携式设备领域具有重要意义。然而,快速的容量衰减以及较差的循环性能,使锂硫电池还达不到商业应用的要求。本文全面总结了锂硫电池的最新研究进展,详细阐述了锂硫电池的正极、电解质、隔膜以及负极保护,分析了现有锂硫电池存在的缺陷和问题。最后,对锂硫电池未来的发展方向进行了展望。