锂硫电池正极材料研究进展

总结了近几年来锂硫电池正极材料的研究进展,简要阐释了锂硫电池正极材料的研究现状、存在的问题及其面临的挑战.通过碳材料的引入,导电聚合物的复合,金属氧化物的添加均不同程度地提高了硫电极材料的电导率,有效抑制了多硫化物的溶解,为体积膨胀提供了空间,从而改善了锂硫电池的活性物质利用率和循环稳定性.简化工艺,降低成本,提高硫的负载量,这将是下一阶段锂硫电池研究的重点.     

化学结合力载体在锂硫电池中的应用

在环境问题日益严峻,化石能源日益枯竭的今天,开发具有高比能的二次电池系统显得尤为重要。锂硫电池以其高理论能量密度和低环境影响的优势成为最有潜力的下一代电化学储能系统之一。然而受制于硫的绝缘性质以及由多硫化锂的溶解所引起的穿梭效应,锂硫电池的实用化进程还面临着诸多困难。为弥补常用的碳质载体对稳定硫电极的物理限制作用的不足,近年来对多硫化物具有强烈化学结合作用的载体材料的应用,显著提升了复合硫电极的综合性能,为锂硫电池正极材料的设计提供了新的思路。本文综述了各种具有化学吸附特性的载体材料在复合硫电极中的应用进展,具体包括:基于极性-极性作用固定多硫化物的金属氧化物、改性的碳质材料、能够与硫发生硫化作用的有机聚合物以及对多硫化物具有路易斯酸碱作用的金属有机骨架,重点阐述了这类载体材料与多硫化物的作用机理,并展望锂硫电池的发展方向。     

过渡金属硫化物改性锂硫电池正极材料

锂硫电池(LSBs)由于单质硫正极具有超高能量密度(2600 Wh/kg)和超高理论比容量(1675 mAh/g),且环境友好、成本低廉,被认为是最有前景的储能体系之一。然而,硫正极的绝缘性和严重体积膨胀以及多硫化物(LiPSs)的“穿梭效应”等问题导致活性物质利用率低、循环稳定性差及电化学反应动力不足,严重阻碍了LSBs的商业化发展。最新研究表明,过渡金属硫化物作为载体或添加剂能够显著改善LSBs正极材料的电化学性能。本文从等效/共正极作用、导电性增强作用、LiPSs吸附作用和电化学反应催化作用四个方面梳理了过渡金属硫化物在LSBs正极材料中的改性机理,并指出多元过渡金属硫化物复合﹑纳米结晶和量子化作为增加比表面积和活性位点的方法是过渡金属硫化物用于锂硫电池正极材料的重要发展方向,可大幅提升LSBs的电化学性能。     

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.     

氧化还原媒介体分子调控锂-硫电池硫正极性能研究进展

锂-硫(Li-S)电池具有较高的理论比容量(约1 675 mAh·g^-1)和能量密度(约2 600 Wh·g^-1),被认为是继锂离子电池之后最有前途的下一代高能量密度电池.Li-S电池在实现产业化之前需要克服硫正极诸多技术瓶颈,主要有硫的导电性差、多硫化物的穿梭效应与硫电极体积膨胀等.本文着重梳理了氧化还原媒介体分子在硫正极改性研究上的进展,并对硫正极的未来发展趋势进行了展望.     

锂硫电池正极材料研究进展

电动汽车行业的迅速发展,逐步提高了对二次电池容量的要求,因此急需发展新型高容量锂电池。锂硫电池具有高理论比容量(1675mAh/g)和高理论比能量(2600Wh/kg),使其能够实现锂离子电池3~5倍的能量密度。但是,正极长链多硫化物溶解引起的容量衰减快、循环寿命短等因素限制了锂硫电池的实用化进程。本文针对正极聚硫锂溶解问题,从正极材料表面包覆、表面吸附、表面催化的角度对近年来提高锂硫电池循环性能的正极材料研究思路和研究进展进行综述,最后对提高锂硫电池性能的发展趋势提出展望。     

锂硫电池正极材料的制备及工艺优化

锂硫电池具有能量密度高、价格低等优势,有希望应用于下一代储能领域. 但锂硫电池仍然存在一些问题,如多硫化物穿梭效应、缺乏有效的锂硫电池规模制备工艺等. 为了解决这些问题,作者以不同商用碳材料（乙炔黑、科琴黑与碳纳米管）和单质硫复合作为正极材料,探究正极制备工艺对多硫化物穿梭效应抑制效果及锂硫电池性能的影响. 通过研究,作者得出以下结论：科琴黑作为单质硫的载体,与单质硫球磨8 h后,匹配粘结剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制备的正极浆料可实现在涂布和辊压后极片的厚度达到500 μm、压实密度达到991.65 mg·cm ^-3. 作者将最终得到的正极极片应用于高硫载量锂硫软包电池,电池首圈放电容量为137.4 mA·h,经过10圈循环后,放电容量为115.5 mA·h,表现出优异的电化学性能. 该碳硫复合正极材料制备工艺有望在锂硫电池的宏量制备中获得应用.     

锂硫二次电池正极研究进展

综述了锂硫电池中硫基正极材料的制备方法、结构特征以及电化学性能. 简述了单质硫正极材料, 重点探讨了有机硫化物、碳/硫复合材料、聚合物/硫复合材料的结构设计、材料制备、反应机理以及充放电特性, 并对其中存在的问题进行了分析, 还介绍了硫化锂正极材料. 最后对硫基正极的进一步发展, 以及锂硫电池的商业化应用进行了展望.     

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-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.     

Two-dimensional vermiculite separator for lithium sulfur batteries

A lamellar vermiculite separator assembled with exfoliation vermiculites is developed for lithium sulfur batteries. The vermiculite separator can simultaneously suppress the parasitic reactions induced by polysulfide intermediate shuttle, and prevent the short circuit by potential lithium dendrite penetration with the ultrahigh Young's modulus.     

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。     

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。     

Chemistry-Performance Relationships of Polymer Gel-Electrolytes for Mg−S and Li−S Batteries: Influence of Network Cation Solvation Capacity on Polymer-Polysulfide Interactions

Metal-sulfur batteries are a promising next-generation energy storage technology, offering high theoretical energy densities with low cost and good sustainability. An active area of research is the development of electrolytes that address unwanted migration of sulfur and intermediate species known as polysulfides during operation of metal-sulfur batteries, a phenomenon that leads to low energy efficiency and short life-spans. A particular class of electrolytes, gel polymer electrolytes, are especially attractive for their ability to repel polysulfides on the basis of structure, electrostatics, and other polymer properties. Herein, within the context of magnesium- and lithium-sulfur batteries, we investigate the impact of gel polymer electrolyte cation solvation capacity, a property related to network dielectric constant and chemistry, on sulfur/polysulfide-polymer interactions, an understudied property-performance relationship. Polymers with lower cation solvation capacity are found to permanently absorb less polysulfide active material, which increases sulfur utilization for Li−S batteries and significantly increases charge efficiency and life-span for Li−S and Mg−S batteries.     

锂硫电池中钴磷共掺杂MoS2催化性能的第一性原理研究

基于第一性原理计算, 探究了未掺杂、 Co单掺杂、 Co, P共掺杂MoS₂表面上多硫化物的吸附和转化, 揭示了Co, P共掺杂对MoS₂材料吸附能力和催化能力的影响. 研究结果表明, 共掺杂使得MoS₂吸附能力增强, 特别是对产物Li₂S的稳定吸附提供了多硫化物转化动力, 进而增强了催化能力. Co, P共掺杂表面与长链、 中链、 短链多硫化物之间均存在Li—S和S—P双重成键, 具备最大的吸附能力; 另一方面, 共掺杂表面对于产物Li₂S的显著稳定化作用降低了多硫化物转化过程中解离步骤的能量需求, 增大了转化过程的能量释放, 为多硫化物转化提供了驱动力. 上述两方面因素共同增强了MoS₂的催化活性, 有效抑制了穿梭效应, 提升了电池的电化学性能.     

Promoted conversion of polysulfides by MoO2 inlaid ordered mesoporous carbons towards high performance lithium-sulfur batteries

A MoO₂-ordered mesoporous carbon (M-OMC) hybrid was designed as the sulfur host, in which MoO₂ is inlaid on the surface of ordered mesoporous carbons that can store active materials and provide fast electron transfer channel due to its ordered porestructure. The MoO₂ can effectively prevent the migration of polysulfides through the chemical adsorption and promote the conversion of polysulfides towards Li-sulfur battery.     

Spinel-type bimetal sulfides derived from Prussian blue analogues as efficient polysulfides mediators for lithium−sulfur batteries

More and more attentions have been attracted by lithium-sulfur batteries (Li-S), owing to the high energy density for the increasingly advanced energy storage system. While the poor cycling stability, due to the inherent polysulfide shuttle, seriously hampered their practical application. Recently, some polar hosts, like single metal oxides and sulfides, have been employed as hosts to interact with polysulfide intermediates. However, due to the inherent poor electrical conductivity of these polar hosts, a relatively low specific capacity is obtained. Herein, a spinel-type bimetal sulfide NiCo₂S₄ through a Prussian blue analogue derived methodology is reported as the novel host of polysulfide, which enables high-performance sulfur cathode with high Coulombic efficiency and low capacity decay. Notably, the Li-S battery with NiCo₂S₄-S composites cathode still maintains a capacity of 667 mAh/g at 0.5 C after 300 cycles, and 399 mAh/g at 1 C after 300 cycles. Even after 300 cycles at the current density of 0.5 C, the capacity decays by 0.138% per cycle at high sulfur loading about 3 mg/cm². And the capacity decays by 0.026% per cycle after 1000 cycles, when the rate is 1 C. More importantly, the cathode of NiCo₂S₄-S composite shows the outstanding discharge capacity, owing to its good conduction, high catalytic ability and the strong confinement of polysulfides.     

The discovery of interfacial electronic interaction within cobalt boride@MXene for high performance lithium-sulfur batteries

Lithium-sulfur battery is strongly considered as the most promising next-generation energy storage system because of the high theoretical specific capacity.The serious "shuttle effect" and sluggish reaction kinetic limited the commercial application of lithium-sulfur battery.Many hetero structure s were applied to accelerate polysulfides conversion and suppress their migration in lithium-sulfur batteries.Nevertheless,the effect of the interface in heterostructure was not clear.Here,the Co_2B@MXene heterostructure is synthesized through chemical reactions at room temperature and employed as the interlayer material for Li-S batteries.The theoretical calculations and experimental results indicate that the interfacial electronic interaction of Co_2B@MXene induce the transfer of electrons from Co_2B to MXene,enhancing the catalytic ability and favoring fast redox kinetics of the polysulfides,and the theoretical calculations also reveal the underlying mechanisms for the electron transfer is that the two materials have different Fermi energy levels.The cell with Co_2B@MXene exhibits a high initial capacity of1577 mAh/g at 0.1 C and an ultralow capacity decay of 0.0088% per cycle over 2000 cycles at 2 C.Even at5.1 mg/cm~2 of sulfur loading,the cell with Co_2B@MXene delivers 5.2 mAh/cm~2 at 0.2 C.     

单原子催化剂在锂硫电池中的研究进展

锂硫电池因其较高的理论比容量和能量密度而成为最有前途的下一代储能系统之一。然而,硫和放电产物硫化锂的低导电率、可溶性多硫化锂（LiPSs）的穿梭以及缓慢的反应动力学致使锂硫电池的循环寿命短、倍率性能低。近年来,研究表明具有强催化活性的单原子（SAs）是理想的LiPSs锚定中心和催化位点。用SAs修饰正极和隔膜有助于吸附多硫化物并催化其转化,修饰负极则可显著提高锂的剥离/沉积效率,抑制锂枝晶的生长。本文综述了SAs在锂硫电池中的研究进展,包括材料合成、表征方法以及应用方向。最后,对SAs应用在电池中所面临的挑战和未来发展方向进行总结。