介孔碳纳米纤维-硫作为锂硫电池正极材料(英文)

锂硫电池的商用化受到硫和多硫化锂低的电导率、多硫化锂在有机电解液中的溶解、放电过程中硫的体积膨胀等因素的制约。我们通过自模板法制备了具有石墨化孔壁结构的介孔碳纳米纤维(MCNF),并利用这种结构将硫和多硫化锂封装在碳骨架内。具有石墨化孔壁结构的一维MCNF能够在循环中为硫和多硫化锂提供良好的导电网络。MCNF中小的介孔能够抑制长链多硫化锂的扩散。另外,MCNF大的孔容能够负载比较多的硫,并且能够为硫的放电膨胀提供足够的纳米空间。本工作制备的MCNF-硫纳米复合材料在0.8 A·g-1的电流密度下,经过100次循环后仍有820 mAh·g-1的比容量。     

锂硫电池正极用硫/介孔碳复合材料的制备及电化学性能

制备了以十二烷基硫酸钠(SDS)为模板的介孔碳,并将介孔碳和单质硫采用熔融渗透法复合制得硫/介孔碳复合材料。SEM、TEM和BET结果显示介孔碳成直径约为500 nm的大小均一的球体,存在孔径为2 nm的微孔;单质硫充分填充在介孔碳的微孔中。以硫/介孔碳复合物作为锂硫电池正极材料时显示出高的电化学性能。初始放电容量高达1519 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下充放电200个循环后依然能保持在835 mAh·g^-1。硫/介孔碳复合材料的高倍率性能和优异的循环稳定性,源于介孔碳良好的导电性及其孔结构的固硫作用。     

硫/水热碳球复合材料的制备及对锂硫电池倍率性能的影响

在锂硫电池正极材料的研究中,碳材料可以有效改善电池倍率及循环性能.为了提高锂硫电池的高倍率放电性能,通过水热合成的方法,制备了由非均匀粒径碳球组成的碳材料.与硫热合成后,硫均匀分布在碳材料表面及周围,复合材料含硫量为52wt%.0.2C放电电流下,首次放电比容量为1174mAh·g^-1,100次循环后放电比容量为788mAh·g^-1.在4C的放电电流下,放电比容量稳定维持在600mAh·g^-1,循环过程中,库伦效率高于90%.该碳材料有良好的导电网络,且制备方便,成本低廉,对于穿梭效应和放电过程中的膨胀效应有一定的抑制作用,是一种优秀的正极材料.     

用于高性能锂硫电池的二维氮硫共掺杂多孔碳纳米片的快速合成

本工作基于工业炼油产品沥青,开发了一种无金属、氮和硫共掺杂多孔碳纳米片（NSPC）的合成方法。获得的多孔碳纳米片具有高比表面积（339 m²·g^-1）和优异的固硫能力。同时,高含量氮、硫共掺杂可以有效增强碳材料的导电性,同时促进多硫化物的高效催化转化。通过熔融法固硫后,制备得到的NSPC/S电极具有较高的比容量和优异的循环稳定性（在0.6C电流密度下,200次循环后容量为762 mAh·g^-1）,实现了高含量氮和硫共掺杂的二维多孔碳材料的快速批量生产并用于高性能锂硫电池正极材料。     

惰性盐辅助合成介孔石墨化碳片及其电容性能

以惰性盐KCl为模板、硝酸镍为金属催化剂镍源、葡萄糖为碳源,通过碳化处理制备了介孔石墨化碳片。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射仪和比表面测试仪对介孔石墨化碳片进行了表征。探讨了碳片形成的机理,采用三电极测试体系研究了介孔石墨化碳片电极材料的电化学性能。结果表明,10gKCl制备的碳片比表面积最大（989m²·g^-1）,在6mol·L^-1KOH电解液中,当电流密度为0.5A·g^-1时,比电容达到180F·g^-1;当电流密度达到10A·g^-1时,比电容维持在148F·g^-1,显示了电极具有较好的倍率性能;在10A·g^-1条件下,2000次循环充放电测试后电容没有发生衰减,展示了在超级电容器方面的应用潜力。     

有双重固硫作用的PEDOT包覆MnO2纳米管阴极用于高性能的锂硫电池

制备了α-MnO₂纳米管作为硫的宿主材料,将硫填充到α-MnO₂管的中空部分,并通过原位聚合法在α-MnO₂外层包覆一层薄层聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）进一步束缚硫。这样一种双重固硫的阴极材料S@α-MnO₂-PEDOT在锂硫电池中体现出了高的性能。在电流密度1 675 mA·g^-1（1C）下循环200圈,容量为774.4 mAh·g^-1,且在电流密度为3 350 mA·g^-1（2C）下容量达854.1 mAh·g^-1,体现出良好的循环稳定性和倍率性能。这些显著的性能得益于阴极材料新颖的结构。在这种结构中,α-MnO₂纳米管不仅能对硫起到物理限制作用,而且增强了硫宿主材料和多硫化物间的化学相互作用。同时,PEDOT的引入增强了含硫纳米复合材料的导电性,并进一步减少了由于体积变化和多硫化锂的过度溶解引起的硫的损失。     

松针状NiCo2O4@碳布复合材料在锂硫电池中的应用

以碳布（CC）作为柔性基底,采用水热法在其表面原位生长松针状网络结构NiCo₂O₄,制得NiCo₂O₄@CC复合材料,并应用于锂硫电池。NiCo₂O₄在碳纤维表面竖直生长形成三维纳米针簇网络,为硫的存储提供更多的空间,有效缓解硫电极的体积膨胀。通过吸附实验,证明了NiCo₂O₄@CC能有效吸附多硫化物,从而抑制多硫化物的穿梭效应。与CC/S相比（933 mAh·g^-1）,NiCo₂O₄@CC/S复合材料用于锂硫电池具有更优异的电池性能,在0.1C下初始放电比容量高达1 467 mAh·g^-1,在0.2C下初始放电比容量为1 098 mAh·g^-1,经200次循环后,放电比容量仍然保持在879 mAh·g^-1,平均每圈衰减率为0.09%,表现出良好的循环性能。     

中空碳双面修饰的隔膜在高性能锂硫电池中的应用

为减少多硫化锂(LIPs) “穿梭效应” 及锂枝晶对锂硫电池的影响,采用刮涂法制备中空碳材料修饰隔膜。接触角测试表明修饰隔膜对 LIPs具有更强的吸引力, 其对 LIPs “穿梭” 的有效抑制也可以通过渗透性实验进一步得到印证。在隔膜的正极对称电池测试中, 电流响应显示中空碳材料的催化使 LIPs快速转化为Li₂S。通过隔膜的负极对称电池测试发现修饰隔膜呈现出更稳定的电压-时间曲线。为证明隔膜修饰对锂硫电池性能改进的效果, 分别采用聚丙烯(PP)隔膜、单面改性和双面改性的 PP隔膜组装成纽扣电池并进行电化学测试, 其中电极材料的硫负载量为 1.8~2.0 mg·cm^-2。GITT(恒电流间歇滴定法)测试和锂离子扩散系数计算表明, 改性隔膜的离子传输更快且阻抗较小。通过分析第 1、5、10、50及 100次的充放电循环阻抗谱图发现, 中空碳材料的多通道能够为锂离子的传输提供更多的通道, 因此能够使锂离子具有更加稳定的扩散行为。在电流密度为 0.2 C时, 由双面改性隔膜组装的锂硫电池在首次充放电时有 1 035 mAh·g^-1的可逆比容量, 700圈后仍有 500 mAh·g^-1的高比容量,并在高硫负载时表现出 500 mAh·g^-1的可逆比容量。双面修饰隔膜赋予了锂硫电池优异的电化学性能, 这是由于中空碳材料的修饰加速了 LIPs的转化和吸附, 有效缓解了 LIPs的穿梭效应, 且对锂枝晶有很好的抑制作用, 提高了锂硫电池的安全性。     

用于高性能锂-硫电池的氮化硼纳米片/碳纤维改性隔膜

通过静电纺丝、热亚胺化和碳化过程,将氮化硼纳米片(BNNSs)负载在碳纤维(CFs)表面,组成用于修饰商业聚丙烯(PP)隔膜的氮化硼纳米片/碳复合纤维(BNNSs/CFs)复合材料。BNNSs和CFs的协同作用为电池提供了额外的导电路径,并将可溶性多硫化锂固定在正极区域。结果表明,采用10BNNSs/CFs-PP隔膜的电池在0.05C下的初始放电容量高达1 295.7 mAh·g^-1,当电流密度增加到1C时,以10BNNSs/CFs-PP为隔膜的电池也具有良好的长期循环稳定性,在400次循环后最终容量高达568.1mAh·g^-1,每次循环容量衰减0.073%。     

氮掺杂有序介孔碳-Ni纳米复合材料的制备及电化学性能

以F₁₂₇为模板剂,NiCl₂为镍源,尿素为氮源,间苯二酚甲醛原位聚合树脂为碳源,分别采用均相法和两相法制备Ni-N-OMC-1,Ni-N-OMC-2纳米复合材料.X射线衍射(XRD)、激光拉曼以及透射电子显微镜(TEM)等测试结果表明,复合材料具有有序介孔结构,Ni以金属微粒形式嵌于碳骨架中,提高了有序介孔碳的石墨化程度.X射线光电子能谱测试(XPS)表明尿素热解后以4种形式存在:sp³杂化与C结合的N原子,吡啶N原子,sp²杂化与C结合的N原子以及quaternary-N原子.Ni-N的共改性改变了碳载体的理化性质,有利于Pt纳米粒子的负载与分散.均相法制备的Ni-N-OMC-1复合材料微波负载Pt后,氧还原极限电流密度为5.32mA·cm^-2,氢氧化电化学活性面积高达138.53m²·g^-1,电化学催化活性优于商业20%Pt/C材料(4.49mA·cm^-2,96.98m²·g^-1).     

百香果皮基原位氮掺杂多孔碳/硫复合正极的制备及储锂性能

以生物质百香果皮为碳源,KHCO₃为活化剂,采用同步活化碳化方法制备原位氮掺杂的分级多孔碳材料,将其与单质硫复合制得多孔碳/硫正极材料。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等表征技术对制备材料的物相组成、微观形貌、比表面积及孔结构进行研究分析。同时,利用紫外可见吸收光谱研究了多孔碳对多硫化物的吸附作用,用恒电流充放电测试了不同硫含量（60%~80%）的多孔碳/硫复合正极材料的电化学性能。结果表明,制得的多孔碳材料为无定型,具有1 093 m²·g^-1的高比表面积和0.63 cm³·g^-1的孔容;丰富的多孔结构和原位氮掺杂对多硫化物的物理化学协同吸附作用,有效降低了锂硫电池的“穿梭效应”,提高了电池的放电比容量和循环性能。硫含量为60%的多孔碳/硫复合材料,在0.05C和0.2C倍率下可释放1 057.7和763.4 mAh·g^-1的高初始放电比容量,在1C的高倍率下循环300次后的保持率为75%。     

硫/水热碳球复合材料的制备及对锂硫电池倍率性能的影响(英文)

在锂硫电池正极材料的研究中,碳材料可以有效改善电池倍率及循环性能。为了提高锂硫电池的高倍率放电性能,通过水热合成的方法,制备了由非均匀粒径碳球组成的碳材料。与硫热合成后,硫均匀分布在碳材料表面及周围,复合材料含硫量为52wt%。0.2C放电电流下,首次放电比容量为1 174 m Ah·g-1,100次循环后放电比容量为788 m Ah·g-1。在4C的放电电流下,放电比容量稳定维持在600 m Ah·g-1,循环过程中,库伦效率高于90%。该碳材料有良好的导电网络,且制备方便,成本低廉,对于穿梭效应和放电过程中的膨胀效应有一定的抑制作用,是一种优秀的正极材料。     

Utilizing the Alterable Solubility of Chitosan in Aqueous Solution to Synthesize Nanosized Sulfur for High Performance Li–S Batteries

We demonstrate the synthesis of cathode material with nanosized sulfur by a precipitation method making use of the alterable solubility of chitosan (CTS) in aqueous solution. Mesoporous Ketjen Black (KB) and carbon nanotube (CNT) are added as conductive agents to provide the three‐dimensional electric channels. This method can reduce the size of the sulfur particles, thus the nanosized sulfur obtained can fully contact with the conductive agent, which could increase the utilization of sulfur and improve the capacity of Li‐S batteries. Moreover, CTS with abundant hydroxyl and amine groups has strong interaction with polysulfides, which can improve the stability of Li‐S batteries. As a result, the obtained CTS/C‐S cathode containing 76 wt% sulfur delivers an impressively initial discharge specific capacity of 1141.6 mA·h·g^–1 at 0.5 C and maintains a capacity of 842.3 mA·h·g^–1 after 300 cycles. Our finding paves a way for the rational design of high‐performance sulfur cathodes for advanced Li‐S batteries.     

基于生物质的高度有序的管状碳材料及其在锂硫电池中的应用

将棕榈纤维经过炭化和氢氧化钾活化制备高度有序的管状碳材料(OCT),并且将其应用于锂硫电池。所制备的OCT具备高的比表面积和大的孔体积,可以有效地储存硫,合成方法简单且成本较低。同时,所制备的S@OCT复合物呈现出优异的电化学性能。载硫量为65%(w/w)的S@OCT复合材料在0.2C(1C=1 672 mA·g-1)的倍率下库伦效率接近于100%,其首圈容量高达1 255.2 mAh·g-1(1.8 mAh·cm-2),并且100圈后容量保持在756.9 mAh·g-1(1.09 mAh·cm-2)。使用5C的大电流测试时,其首圈容量达到了649.1 mAh·g-1(0.93 mAh·cm-2),且在100圈后容量保持在504.2 mAh·g-1(0.72 mAh·cm-2)。     

Large Scale Synthesis of Three-dimensional Hierarchical Porous Framework with High Conductivity and its Application in Lithium Sulfur Battery

Quick capacity loss due to the polysulfide shuttle effects and poor rate performance caused by low conductivity of sulfur have always been obstacles to the commercial application of lithium sulfur batteries. Herein, an in-situ doped hierarchical porous biochar materials with high electron-ion conductivity and adjustable three-dimensional (3D) macro-meso-micropore is prepared successfully. Due to its unique physical structure, the resulting material has a specific surface area of 2124.9 m² g⁻¹ and a cumulative pore volume of 1.19 cm³ g⁻¹. The presence of micropores can effectively physically adsorb polysulfides and mesopores ensure the accessibility of lithium ions and active sites and give the porous carbon material a high specific surface area. The large pores provide channels for the storage of electrolyte and the transmission of ions on the surface of the substrate. The combined effect of these three kinds of pores and the N doping formed in-situ can effectively promote the cycle and rate performance of the battery. Therefore, prepared cathode can still reach a reversible discharge capacity of 616 mAh g⁻¹ at a rate of 5 C. After 400 charge–discharge cycles at 1 C, the reversible capacity is maintained at 510.0 mAh g⁻¹. This new strategy has provided a new approach to the research and industrial-scale production of adjustable hierarchical porous biochar materials.