硫/介孔碳复合正极材料的制备与表征

以经加热处理的单质硫与由模板法制备的介孔碳合成一种硫/介孔碳复合材料(S/C).结构和电化学性能测试表明,介孔碳能有效提高硫电极的电化学反应活性、限制硫电极中间产物在电解液中的溶解流失,从而使S/C复合电极具有高的比容量、良好的倍率放电性能和稳定的循环性能.在800mA/g的高电流密度下,硫电极的首周放电比容量达到1234mAh/g;循环100周后,比容量仍保持在800mAh/g以上.     

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.     

复合掺杂改性的尖晶石LiMn1.98Cr0.02O4-yCly的研究

采用改进的高温固相法合成了阴阳离子复合掺杂改性的锂离子电池尖晶石结构正极材料LiMn1.98Cr0.02O4-yCly(y=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.10). 采用X射线衍射手段对材料的晶体结构进行了表征. 从材料的晶体结构、充放电容量、循环性能和倍率放电特性等方面分析了复合掺杂在稳定晶体结构和改善材料电化学性能方面的作用. 实验结果表明, 由于复合掺杂的综合作用, 改性后的材料既保持了高的初始容量, 又具有优良的循环性能, 倍率放电性能也得到了有效的改善. 其中LiMn1.98Cr0.02O3.96Cl0.04的综合性能最优, 初始放电比容量达到127 mA·h/g以上, 循环50次后仍有110 mA·h/g的放电比容量.     

V2O3空心球的制备及在锂硫电池中的应用

在NH₃辅助下将制备的V₂O₅空心球高温还原为V₂O₃空心球, 并利用透射电子显微镜、 扫描电子显微镜、 X射线衍射和X射线光电子能谱等手段对材料的形貌与结构进行表征. 将V₂O₃空心球与硫机械混合后, 不经过熔融复合直接作为锂硫电池的正极材料. 电化学测试结果显示, 在0.2C倍率下, 电池首次放电比容量达到1375 mA·h/g, 循环100次后放电比容量可以维持在815 mA·h/g; 在1C高倍率下, 电池首次放电比容量为710 mA·h/g, 经过500次循环后, 放电比容量仍能达到530 mA·h/g, 表明V₂O₃空心球的加入能够有效提高锂硫电池的循环性能.     

离子液体对硫-超导炭黑复合材料电化学性能的影响

以热处理方法由单质硫与超导炭黑制备硫含量为59%的硫-超导炭黑复合材料.X射线衍射、扫描电镜测试表明,单质硫均匀地分散在高比表面积的超导炭黑中.如于电解液中添加室温离子液体,则可有效减弱复合材料中多硫化物在电解液的穿梭效应,提高硫复合材料的电化学性能.充放电测试表明,该硫-超导炭黑复合材料在含有离子液体的电解液中循环50周后,容量仍保持483.6mAh/g.     

以Fe2O3为原料制备LiFePO4/C复合材料及其性能研究

以Fe2O3为铁源原料, 利用热还原法成功地制备了LiFePO4/C复合材料. 用XRD以及SEM对材料的晶体结构以及表面形貌进行了表征. 通过循环伏安和充放电测试研究了材料的电化学性能. 研究结果表明， 于700 ℃下制备的LiFePO4/C复合材料在0.1C的倍率下可以得到放电容量144.8 mA·h/g, 在循环160次后, 容量仍保持在141.4 mA·h/g. 这种以廉价的Fe2O3代替目前常用的二价铁盐原料方法, 具有减少LiFePO4合成成本的优点.     

锂硫二次电池硫-碳纳米管正极的合成和性能

由单质硫与碳纳米管合成一种新型含碳复合材料.XRD、SEM、BET比表面和孔径分布表征观察硫-碳纳米管复合材料,循环伏安法和电池充放电测试材料的电化学性能.结果表明:以硫-碳纳米管作正极组装的2016型扣式电池有较好的电化学性能,其初始放电比容量达680mAh/g(室温),30次循环放电比容量仍稳定在500mAh/g.     

PEO基锂硫二次聚合物电池

分别对单质硫和PABTH (polyanthra [1 ,9 ,8 -b,c,d,e][4 ,10 ,5 -b ,c ,d ,e ]bis-[1,6,6a(6a-S^Ⅳ)trithia]pentalene)在PEO (polyethylene oxide)基聚合物电解质中的电化学性能进行了研究. 研究发现单质硫和PABTH在PEO基聚合物电解质中都存在放电产物溶解现象, 说明醚基电解液即使以聚合物形式存在(如PEO基聚合物电解质)也不能有效抑制硫电极放电产物的溶解损失. 因此, 必须设计合成具有特定结构的电解质溶剂, 以抑制硫电极放电产物的溶解. 另外, 硫及有机硫化物在PEO基聚合物电解质中的利用率较低, 这主要是由于硫及有机硫化物不是离子导体, Li^＋在硫及有机硫化物中的扩散系数较低, 同时, 传输Li^＋的PEO分子量较大, Li^＋不能被有效传输至材料颗粒的内部. 因此, 全固态聚合物电解质不适合锂硫二次电池, 液态小分子电解质溶剂更有利于锂硫二次电池发挥其高比容量.     

微波-固相复合加热技术合成LiNi0.5Co0.5O2及其性能研究

用高分子分散及微波-固相复合加热技术合成了层状锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.5O2. 采用循环伏安、充放电循环、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线粉末衍射(XRD)等测试技术, 研究了煅烧条件对材料微观形貌、相结构以及电化学性能的影响规律. 研究结果表明: 在750 ℃煅烧4 h即可得到形状为类球形的纯相层状LiNi0.5Co0.5O2正极材料, 该材料的最大放电容量达到154 mA·h/g, 循环10周后放电容量仍保持在148 mA·h/g以上.     

氧缺位结构介孔二氧化钛/聚乙烯复合隔膜在锂硫电池中的应用

采用两步溶液法合成了一种具有高度氧缺位的黑色介孔二氧化钛, 并将其涂覆在隔膜表面作为锂硫电池复合隔膜, 研究了其在锂硫电池中的电化学性能. 结果表明, 氧缺位的黑色介孔二氧化钛材料不仅展现出良好的导电性, 还能加强对多硫化物的物理和化学吸附能力, 从而显著提高锂硫电池的放电比容量(0.1C倍率下首次放电比容量为1257 mA·h/g)和循环性能(循环100次后放电比容量为821 mA·h/g).     

Regulating the Deposition of Insoluble Sulfur Species for Room Temperature Sodium-Sulfur Batteries

Room temperature sodium-sulfur(RT-Na-S) batteries are regarded as promising candidates for next-generation high-energy-density batteries. However, in addition to the severe shuttle effect, the inhomogeneous deposition of the insoluble sulfur species generated during the discharge/charge processes also contributes to the rapid capacity fade of RT-Na-S batteries. In this work, the deposition behavior of the insoluble sulfur species in the traditional slurry-coated sulfur cathodes is investigated using microporous carbon spheres as model sulfur host materials. To achieve uniform deposition of insoluble sulfur species, a self-supporting sulfur cathode fabricated by assembling microporous carbon spheres is designed. With homogeneous sulfur distribution and favorable electron transport pathway, the self-supporting cathode delivers remarkably enhanced rate capability(509 mA·h/g at 2.5 C, 1 C=1675 mA/g), cycling stability(718 mA·h/g after 480 cycles at 0.5 C) and areal capacity(4.98 mA·h/cm² at 0.1 C), highlighting the great potential of manipulating insoluble sulfur species to fabricate high-performance RT-Na-S batteries.     

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.     

Pomegranate‐Structured Silica/Sulfur Composite Cathodes for High‐Performance Lithium–Sulfur Batteries

Porous materials have many structural advantages for energy storage and conversion devices such as rechargeable batteries, supercapacitors, and fuel cells. When applied as a host material in lithium‐sulfur batteries, porous silica materials with a pomegranate‐like architecture can not only act as a buffer matrix for accommodating a large volume change of sulfur, but also suppress the polysulfide shuttle effect. The porous silica/sulfur composite cathodes exhibit excellent electrochemical performances including a high specific capacity of 1450 mA h g^?1, a reversible capacity of 82.9 % after 100 cycles at a rate of C/2 (1 C=1672 mA g^?1) and an extended cyclability over 300 cycles at 1 C‐rate. Furthermore, the high polysulfide adsorption property of porous silica has been proven by ex‐situ analyses, showing a relationship between the surface area of silica and polysulfide adsorption ability. In particular, the modified porous silica/sulfur composite cathode, which is treated by a deep‐lithiation process in the first discharge step, exhibits a highly reversible capacity of 94.5 % at 1C‐rate after 300 cycles owing to a formation of lithiated‐silica frames and stable solid‐electrolyte‐interphase layers.     

Sulfur‐Impregnated Core–Shell Hierarchical Porous Carbon for Lithium–Sulfur Batteries

Core–shell hierarchical porous carbon spheres (HPCs) were synthesized by a facile hydrothermal method and used as host to incorporate sulfur. The microstructure, morphology, and specific surface areas of the resultant samples have been systematically characterized. The results indicate that most of sulfur is well dispersed over the core area of HPCs after the impregnation of sulfur. Meanwhile, the shell of HPCs with void pores is serving as a retard against the dissolution of lithium polysulfides. This structure can enhance the transport of electron and lithium ions as well as alleviate the stress caused by volume change during the charge–discharge process. The as‐prepared HPC‐sulfur (HPC‐S) composite with 65.3 wt % sulfur delivers a high specific capacity of 1397.9 mA h g^?1 at a current density of 335 mA g^?1 (0.2 C) as a cathode material for lithium–sulfur (Li‐S) batteries, and the discharge capacity of the electrode could still reach 753.2 mA h g^?1 at 6700 mA g^?1 (4 C). Moreover, the composite electrode exhibited an excellent cycling capacity of 830.5 mA h g^?1 after 200 cycles.     

锂硫电池硫膨胀石墨正极材料的电化学性能

应用高温气相扩散沉积法由单质硫制备硫膨胀石墨.该硫膨胀石墨正极可降低反应界面电荷传递阻抗,提高扩散阻抗抑制单质硫或多硫化物在充放电过程的穿梭.其首次放电容量达到972 mAh.g-1,容量保持率为78%,循环效率在80%以上.     

钙钒青铜/碳纳米管复合材料的 制备及电化学性能

采用水热法制备了具有二维层状结构的钙钒青铜(Ca_xV₂O₅·nH₂O, CVO)水系锌离子电池钒基正极材料, 并通过调控前驱体溶液中碳纳米管的含量, 得到3种钙钒青铜/碳纳米管复合材料(CVO@CNTs). 利用X射线衍射、 热重分析、 扫描电子显微镜和透射电子显微镜等对材料进行了表征. 结果表明, 所制备的CVO呈纳米带形貌, 长约十几微米, 宽约几百纳米, 选区电子衍射测试表明所得材料为单晶结构. 循环伏安测试结果表明, CVO和CVO@CNTs均具有多个氧化还原峰, 储锌机制包括赝电容行为和电池行为. 在放电倍率1C(1C=300 mA/g)测试条件下, CVO纳米带比容量稳定在210.1 mA·h/g; 与CNTs复合后, CVO@CNTs复合材料的电荷转移阻抗降低, 在相同测试条件下表现出更高的比容量和优异的倍率性能. 其中, CVO@CNTs-40表现出最高的比容量, 在1C倍率测试条件下的比容量可达274.3 mA·h/g, 即使在20C的测试条件下放电比容量仍可达85.2 mA·h/g, 且循环1000次后容量保持率能达到92%.     

三(2-羧乙基)膦阻隔层对锂硫电池穿梭效应的抑制

为了抑制热力学穿梭效应, 改善锂硫电池的电化学性能. 将三(2-羧乙基)膦芳纶纸中间层(TCEP-AP)嵌在锂硫电池正极和隔膜之间. 通过透射电子显微镜(TEM)、 扫描电子显微镜(SEM)、 红外光谱和元素能谱分析(EDS)等对材料进行结构和性能表征. 电化学实验表明, TCEP是一种特别有效的多硫化物剪切剂, 在0.1C倍率时, S-TCEP-AP 锂硫电池的初始放电容量达到1544 mA·h·g ^-1. 在1C倍率下循环400次后, 比放电容量仍维持在609 mA·h·g ^-1, 衰减率极低(每周衰减0.029%), 展现出良好的倍率和循环性能.