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.     

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.     

金属氧化物用于锂硫电池硫正极材料改性的研究进展

锂硫电池因其能量密度高、原料丰富和价格低廉等优势而被认为是下一代的重要储能器件。但是,锂硫电池的发展仍面临诸多问题,包括多硫化物的穿梭效应、单质硫的导电性差、充电过程中硫体积膨胀导致的库仑效率差、容量快速衰减以及锂负极的腐蚀等。近年来,金属氧化物由于具有可吸附多硫化物、提高多硫化物之间的相互转化能力、形成3D形态纳米级结构及对主体材料与多硫化物之间的结合能发挥着关键作用等优点在锂硫电池正极材料的改性方面得到广泛应用。本文综述了多类金属氧化物(过渡金属氧化物、二元及多元金属氧化物、其他金属氧化物)在锂硫电池正极复合材料改性中的研究进展,并对金属氧化物在锂硫电池中的应用前景进行了展望。     

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.     

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。     

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...     

高性能锂硫电池材料研究进展

锂-硫氧化还原对的比能量为2 600Wh/Kg,几乎是所有的二次电池氧化还原对中最高的,当锂-硫电池放电产物为Li2S时,电池的比容量可达到1 675mAh/g.近年来,人们在提高锂硫电池的循环可逆性和硫的利用率方面开展了大量的研究工作.本文结合本实验室的工作综述了锂硫二次电池的最新研究进展,对电池的正极、黏结剂、电解...     

锂硫电池中的石墨烯掺杂

锂硫电池是以锂为负极,单质硫为正极的二次电池,具有高达1675 mA·h/g的比容量及2600 W·h/kg的比能量密度。理论上讲,相较于现有的锂离子电池,锂硫电池可使容量扩展5倍,这使其成为最有前景的锂离子电池。由于硫正极的绝缘性以及充放电过程中活性物质易溶于电解液,导致其可实现的能量密度远低于理论值。异原子掺杂石墨烯因具有优异的导电性,且对多硫化锂（LiPS）具有强的吸附作用而被广泛应用于锂硫电池,有效缓解了"穿梭效应",提高了电池的循环稳定性。本文主要从单原子掺杂、双原子掺杂两方面综述了异原子（如N,P,S,B）掺杂石墨烯在锂硫电池领域的研究现状,详细分析了其应用于锂硫电池的作用机理,并从掺杂量、掺杂形式、掺杂位置等方面对电池性能的提升进行了梳理和展望。     

面向高性能锂-硫二次电池应用的非对称电极-电解质界面（英文）

锂-硫电池具有高的理论电芯比能量和低成本,是极具应用前景的下一代电化学储能技术,已被广泛研究。实用化锂-硫电池技术目前面临的挑战主要包括正极侧电活性硫物种在充放电过程中的不可逆损失,负极侧枝晶形核生长,以及因活性硫迁移至负极而导致的界面副反应,上述问题会导致电池工况条件下性能迅速衰退,引发电池失效和安全问题。本工作中,我们提出通过设计非对称的电极-电解质界面稳定锂-硫电池正负极电化学,协同促进电极/电解质体相和界面电荷输运,从而延长电池循环寿命,显著提升电化学性能。本文所讨论的策略有望指导电池界面理性设计,助力实现高性能的锂-硫电池。     

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。     

A review of solid electrolytes for safe lithium-sulfur batteries

Due to the high specific capacity, low cost, and environmental friendliness, lithium-sulfur batteries hold great potential to become the mainstay of next-generation energy storage system. Regarding the composition of sulfur/carbon in cathode, flammable organic liquid electrolyte, and lithium metal anode, great concerns about the safety have been raised. Hence solid-electrolyte-based lithium-sulfur batteries, as one alternative route for safe batteries, are highly interested. This review highlights the recent research progress of lithium-sulfur batteries with solid electrolytes. Both sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes are included.The sulfide solid electrolytes are mainly employed in all-solid-state lithium-sulfur batteries, while the oxide solid electrolytes are applied in hybrid electrolyte for lithium-sulfur batteries. The challenges and perspectives in this field are also featured on the basis of its current progress.     

有机硫化合物在锂硫电池中的应用

锂硫电池具有理论能量密度高、环境友好和成本低等优点,有望成为替代锂离子电池的新一代储能系统。然而,锂硫电池充放电产物的绝缘性、可溶性多硫化锂的穿梭效应、硫正极体积膨胀及锂枝晶的不可控生长,严重影响了锂硫电池的实际容量发挥和循环稳定性。为解决上述问题,采用有机硫化合物来替代单质硫作为正极材料是有前途的策略。调控有机硫化合物的硫链、碳链及其相互作用,可改变其电化学反应过程,提高离子/电子电导,抑制穿梭效应。有机硫化合物作为电解液添加剂,可调控硫正极的反应过程并保护金属锂负极,作为聚合物电解质的改性链段可加速锂离子传导。本综述对有机硫化合物在锂硫电池的正极、电解液添加剂和固态电解质中的应用研究进展进行详细的阐述。将有机硫化合物的结构、反应机理和电化学性质联系起来,为解决锂硫电池存在的问题提供见解。最后,提出高性能有机硫化合物的设计合成和机理研究思路,以期实现可实用化的锂硫电池。     

An Endogenous Prompting Mechanism for Sulfur Conversions Via Coupling with Polysulfides in Li−S Batteries

The sluggish kinetics process and shuttling of soluble intermediates present in complex conversion between sulfur and lithium sulfide severely limit the practical application of lithium-sulfur batteries. Herein, by introducing a designated functional organic molecule to couple with polysulfide intermediators, an endogenous prompting mechanism of sulfur conversions has thus been created leading to an alternative sulfur-electrode process, in another words, to build a fast “internal cycle” of promotors that can promote the slow “external cycle” of sulfur conversions. The coupling-intermediators between the functional organic molecule and polysulfides, organophosphorus polysulfides, to be the “promotors” for sulfur conversions, are not only insoluble in the electrolyte but also with higher redox-activity. So the sulfur-electrode process kinetics is greatly improved and the shuttle effect is eliminated simultaneously by this strategy. Meanwhile, with the endogenous prompting mechanism, the morphology of the final discharge product can be modified into a uniform covering film, which is more conducive to its decomposition when charging. Benefiting from the effective mediation of reaction kinetics and control of intermediates solubility, the lithium-sulfur batteries can act out excellent rate performance and cycling stability.     

石墨烯作为硫载体在锂硫电池中的研究进展

锂硫电池因其超高的理论能量密度以及硫资源丰富、成本低廉、无毒的优点,被认为是极具发展潜力与应用前景的新一代储能设备。然而,硫正极导电性差、体积膨胀以及穿梭效应严重等问题严重制约了其商业化应用。石墨烯具有高比表面积、高导电性和高柔韧性,并且易于进行表面化学修饰及组装,是一种理想的硫载体材料。本文主要综述了近年来三维石墨烯、表面化学修饰的石墨烯、石墨烯基复合材料以及石墨烯基柔性材料在锂硫电池正极中的研究现状,并展望了石墨烯作为硫载体在锂硫电池正极中的发展趋势。     

过渡金属及其化合物应用于锂硫电池的研究进展

锂硫电池因具有高理论比容量和性价比,被认为是具有发展潜力的新型二次电池。 但是,作为活性物质的单质硫和反应产物是电子绝缘体,充放电过程的中间产物多硫化锂在电解液中易于溶解和迁移引起“穿梭效应”和一系列的副反应,造成活性物质利用率低,电池的电化学稳定性变差。 本文综述了近年来过渡金属纳米材料应用于锂硫电池的研究进展,重点介绍了材料的合成方法以及其抑制多硫化锂溶解并促进其转化的反应机理,并对锂硫电池正极载体材料的发展方向进行了展望。     

Effect of cations in ionic liquids on the electrochemical performance of lithium-sulfur batteries

Lithium-sulfur(Li-S) battery is a promising choice for the next generation of high-energy rechargeable batteries, but its application is impeded by the high dissolution of the polysulfides in commonly used organic electrolyte. Room temperature ionic liquids(RTILs) have been considered as appealing candidates for the electrolytes in Li-S batteries. We investigated the effect of cations in RTILs on the electrochemical performance for Li-S batteries. Ex situ investigation of lithium anode for Li-S batteries indicates that during the discharge/charge process the RTIL with N-methyl-N-propylpyrrolidine cations(P13) can effectively suppress the dissolution of the polysulfides, whereas the RTIL with 1-methyl-3-propyl imidazolium cation(PMIM) barely alleviates the shuttling problem. With 0.5 mol L-1 LiTFSI/P13 TFSI as the electrolyte of Li-S battery, the ketjen black/ sulfur cathode material exhibits high capacity and remarkable cycling stability, which promise the application of the P13-based RTILs in Li-S batteries.     

锂硫电池用高度环化硫化聚丙烯腈的制备

硫化聚丙烯腈因其不溶解机制和有效缓解锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”,被认为是具有吸引力的锂硫电池正极候选材料。硫化聚丙烯腈的导电聚合物骨架具有优异的电子导电性,同时共轭主链能有效解决充放电过程中硫正极体积变化引起的正极结构坍塌问题。因硫化聚丙烯腈的固-固反应机理,有效克服了传统硫正极在醚类电解液中多硫化物溶解及穿梭效应的问题,具有高正极活性物质利用率、出色的循环稳定性和结构稳定性等优势。有许多研究工作致力于通过硫化促进剂来提高硫化聚丙烯腈的硫含量,进而提高材料的能量密度。其中,硫化聚丙烯腈主链的环化度与循环稳定性的关系引起了我们的关注。在该研究工作中,通过在硫化过程中引入无水硫酸铜和正乙基正苯基二硫代氨基甲酸锌(ZDB)合成了SPAN-C-V复合材料。无水硫酸铜和ZDB的共同引入降低了聚丙烯腈环化反应的起始温度,同时提高了产物SPAN-C-V内碳碳双键的含量,在提高了材料硫含量的同时提高了其环化度。以SPAN-C-V为正极活性物质所组装的锂硫电池展现出良好的循环稳定性和倍率性能：在0.2 C (1 C = 600 mAh·kg^-1)下循环100次后的可逆容量为601 mAh·kg^-1,容量保持率为93%。该工作对于硫化聚丙烯腈材料的发展提供了参考。     

Application of diatomite as an effective polysulfides adsorbent for lithium-sulfur batteries

The lithium–sulfur batteries show the great potential to be the most promising candidate for high energy applications. However, the shuttling of soluble polysulfides deteriorates the battery performance tremendously. To suppress the diffusion of soluble polysulfides, diatomite that has abundant natural three-dimensional ordered pores is incorporated into the cathode to trap polysulfides. The composite cathode material(S-DM-AB for short), including sulfur(S), diatomite(DM), and acetylene black(AB) is prepared by an impregnation method. For comparison, another composite cathode material(S-AB for short) including sulfur and acetylene black is also prepared by the same method. The battery with S-DMAB composite cathode material delivers a discharge capacity of 531.4 m Ah/g after 300 cycles at 2 C with a capacity retention of 51.6% at room temperature. By contrast, the battery with S-AB composite cathode material delivered a capacity of only 196.9 m Ah/g with a much lower capacity retention of 18.6% under the same condition. The addition of diatomite in the cathode is proved to be a cheap and effective way to improve the life time of the lithium sulfur batteries.     

Reinforced polysulfide barrier by g-C_3N_4/CNT composite towards superior lithium-sulfur batteries

The notorious shuttle effect has long been obstructing lithium-sulfur(Li-S) batteries from yielding the expected high energy density and long lifespan.Herein,we develop a multifunctional polysulfide barrier reinforced by the graphitic carbon nitride/carbon nanotube(g-C_3 N_4/CNT) composite toward inhibited shuttling behavior and improved battery performance.The obtained g-C_3 N_4 delivers a unique spongelike architecture with massive ion transfer pathways and fully exposed active interfaces,while the abundant C-N heteroatomic structures impose strong chemical immobilization toward lithium polysulfides.Combined with the highly conductive agent,the g-C_3 N_4/CNT reinforced separator is endowed with great capability of confining and reutilizing the active sulfur within the cathode,thus contributing to an efficient and stable sulfur electrochemistry.Benefiting from these synergistic attributes,Li-S cells based on g-C_3 N_4/CNT separator exhibit an excellent cyclability with a minimum decay rate of 0.03% per cycle over 500 cycles and decent rate capability up to 2 C.Moreover,a high areal capacity of 7.69 mAh cm^-2can be achieved under a raised sulfur loading up to 10.1 mg cm^-2.demonstrating a facile and efficient pathway toward superior Li-S batteries.