高浓度LiI实现硫正极稳定的高效利用

具有高比容量和低成本的锂硫电池被认为是下一代电池的重要候选者.然而,低的硫利用率、严重的穿梭效应以及金属锂负极枝晶的生长制约其实际应用.在电解液中引入添加剂被证实是一种简单有效的性能改善策略.为此,本文将高浓度的LiI引入到Li-S电池的常规电解液中,研究高浓度的LiI电解液对硫正极的利用、金属锂负极的保护以及对应电池电化学性能的影响.结果表明,高浓度的碘化锂电解液能够在金属锂负极表层形成稳定的保护层,抑制了锂枝晶的产生.与此同时,碘化锂的引入大幅度提高电池的比容量、有效改善电池的倍率性能和循环稳定性.通过优化发现,浓度为0.5 mol·L^-1的LiI具有最佳的电化学性能.采用此电解液的锂硫电池,在1 C倍率下,放电容量高达1 200 mAh·g^-1. 200次循环之后,容量仍能保持在880 mAh·g^-1,容量保持率接近75%.此外,电池展示了良好的倍率性能,在5 C倍率下,放电容量依然高达700 mAh·g^-1.     

一种双锂盐梳状聚合物电解质的制备及电化学性能

将聚乙二醇单甲醚(MPEG)接枝在聚(异丁烯-alt-马来酸酐)(PIAMA)上合成梳状锂单离子导体PIAMA-g-MPEG, 并与双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)复合制成双锂盐梳状聚合物电解质薄膜. 用核磁共振波谱 (¹H NMR)、 热重分析(TG)、 扫描电子显微镜(SEM)、 电化学阻抗(EIS)和电池充放电测试等方法对聚合物基体和电解质的物化性质和电化学性能进行了研究.结果表明, 设计的双锂盐梳状聚合物电解质能够有效解离并传输锂离子, 70 ℃下离子迁移数(t_Li⁺)为0.32, 离子电导率(σ)为1.5×10^-4 S/cm, 电化学稳定窗口为0~4.9 V (vs. Li/Li⁺). 组装Li|PIAMA-g-MPEG|Li电池并进行70 ℃恒电流充放电电压极化测试, 结果表明, 电解质与金属锂负极兼容性较好, 能够有效抑制锂枝晶的生长.组装LiFePO₄|PIAMA-g-MPEG|Li电池进行70 ℃长循环及倍率性能测试, 电解质表现出了优异的高温性能.     

多功能锂硫电池隔膜

锂硫电池具有远超锂离子电池的高理论比容量（1675 mAh ·g^-1）,并且兼具硫资源丰富、生产成本低廉以及环境友好等优势。然而,多硫离子的穿梭效应造成金属锂负极钝化、引起电池容量和库仑效率下降、循环稳定性变差等严重问题,限制锂硫电池的实际应用。从正极和负极之间的隔膜层出发,引入多硫离子穿梭的阻挡层被认为是极为有效的研究策略。这些研究策略在缓解多硫离子穿梭、提高活性物质利用效率、延长循环寿命和循环稳定性方面具有显著效果。本文分类综述了近年来锂硫电池隔膜功能化的研究进展,并对未来隔膜功能化的研究趋势进行了预测。     

类石墨烯类活性炭材料的简易合成及其在锂硫电池中的应用研究

锂硫电池由于具有较高的理论容量被视为一种最具发展潜力的储能装置. 然而,硫的利用率较低及循环寿命短等问题限制着其商业化进程. 本文通过一种简单易行的方法将三聚氰胺（C₃H₆N₆）和L半胱氨酸(C₃H₇NO₂S)碳化,制备出一种氮掺杂类石墨烯活性炭材料（NGC）. 该材料的类石墨烯结构能够有效抑制锂硫电池在充放电过程中产生的体积效应,以此提升其循环性能. 不仅如此,材料中含有的含氮官能团还可以促进离子转移,抑制多硫化物的溶解,进而提升硫的利用率. 其中,制备出的NGC-8/PS复合电极用于锂硫电池时在0.2 C的电流密度下初始容量为1164.1 mAh·g^-1,在经过400圈的充放电循环之后依然具有909.4 mAh·g^-1的比容量,每圈容量衰减仅为0.05%,甚至在2C的电流密度下也能达到820 mAh·g^-1的高比容量.     

氮硫共掺杂多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池因其较高的理论容量和对环境友好等优势被视为极具发展潜力的储能装置,但是多硫化物的穿梭效应极大地限制了锂硫电池的实际应用。本文以葡萄糖为碳源,离子液体为氮源和硫源,KCl和ZnCl₂为模板剂,KOH为活化剂,通过热解工艺合成了氮硫共掺杂多孔碳（NSPC）。XPS和极性吸附实验表明N、S杂原子成功引入并且提高了碳材料对多硫化物的吸附能力,有效缓解多硫化物的穿梭效应,而较高的比表面积（1290.67 m²·g^-1）有助于提高硫负载量。负载70.1wt.%的硫后（S@NSPC）作为锂硫电池的正极材料表现出了良好的电化学性能。在167.5 mA·g^-1的电流密度下S@NSPC的首次放电容量为1229.2 mAh·g^-1,远高于S@PC的861.6 mAh·g^-1,且S@NSPC循环500圈后容量为328.1 mAh·g^-1。当电流密度从3350 mA·g^-1恢复至167.5 mA·g^-1时,可逆容量达到首圈放电比容量的80%,几乎恢复至其初始值。     

锂金属负极界面修饰及其在硫化物全固态电池中的应用

随着我国新能源产业的快速发展, 全固态电池由于其理论上的高能量密度和高安全性受到广泛关注, 而硫化物全固态电池具有离子电导率高的优势成为目前的研发热点, 但是金属锂负极的锂枝晶生长和与硫化物电解质之间的不稳定性严重阻碍了硫化物全固态电池的研发. 本工作在高温150 ℃下制备了均匀的LiF界面层来抑制金属锂负极/硫化物电解质之间的界面反应和锂枝晶. LiF/Li之间具有较高的界面能, 所以可以有效抑制锂枝晶的生长. LiNbO₂@LiCoO₂//Li₆PS₅Cl//LiF@Li (LNO@LCO//LPSCl//LiF@Li)全电池0.05 C, 0.1 C, 0.2 C和0.5 C倍率的正极放电克容量分别为138.4 mAh/g, 105.0 mAh/g, 80.3 mAh/g和60.4 mAh/g, 0.05 C循环50周后, 正极容量保持率为80.2%. 该方法为后续金属锂负极在全固态电池中的应用提供了新的方案.     

全固态无负极锂金属电池纳米化复合集流体构筑

全固态无负极锂金属电池(AFSSLB)是一种通过初次充电形成金属锂负极的新型锂电池,它的负极与正极容量比为1,能使任意锂化正极系统达到最大能量密度。无机固态电解质的引入使无负极锂金属体系兼具高安全性。然而,电池循环过程中的锂离子通量不均导致的界面接触损失和锂枝晶生长会不断加剧,从而造成电池循环容量迅速衰减。本文构筑了纳米化的银碳复合集流体,显著增强了全固态无负极锂金属电池中集流体-电解质界面的性能。使用该集流体的固态电池循环过程中接触良好,界面阻抗为～10?·cm^-2。从而实现了超过7.0mAh·cm^-2锂金属的均匀稳定沉积,并在0.25mA·cm^-2的电流条件下实现循环200次以上。     

“锂硫电池”专辑序言

锂硫电池是指采用硫或含硫复合物作为正极，锂或含锂材料为负极，以硫-硫键的断裂/生成来实现电能与化学能相互转换的一类电池体系。由于活性物质具有质轻、多电子反应等特性，从而能够实现高达1675m Ah·g^-1的理论比容量和2600 Wh·kg^-1的质量比能量。这比传统的锂离子电池的能量密度高出7倍左右，极有潜力成为新一代高能量密度电化学储能体系，近年来一直是高能锂金属电池领域的研究热点之一。然而，锂硫电池的实用化依然存在着诸多问题。最为典型的是电池充放电过程中生成高阶态多硫化物(Li₂S_n,8≥n≥4)溶解在电解质中导致的“穿梭效应”，继而对硫基正极、锂基负极和电解液等电池关键组成部分产生深刻影响，导致电池出现容量衰减快、库仑效率低、循环寿命短等问题。其次，硫正极必须和金属Li配对使用才能体现锂硫电池高能量密度的优势。但在实际的锂硫电池中，锂基负极的充放电效率低、循环性能差，同时存在着严重的安全隐患。这些挑战仍需科研工作者对其背后的科学问题和工程技术问题进行逐一突破。     

CoNi基双金属-有机骨架衍生碳复合材料多功能改性锂硫电池隔膜（英文）

严重的多硫化物穿梭效应和转化缓慢等问题导致锂硫电池容量迅速衰减,其大规模应用受限。本文将金属有机框架材料(MOF)衍生碳(Ni,Co)/C用于锂硫电池隔膜改性,很好地解决了上述问题。钴镍双金属的协同作用分别实现了大量又快速的化学固硫和抑硫的可逆性,显著提高了锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。在1C的电流密度下,(Ni,Co)/C改性隔膜电池的容量在第1次循环时可以达到1035.6 mAh·g^-1,在500次循环后容量仍保持662.2 mAh·g^-1,容量保持率为63.9%。此外,本工作克服了二元金属基MOF制备难的问题,使用简单快速的室温液相合成法制备了柱状镍钴二元MOF,该法有望实现MOF的宏观制备。     

多功能磷化铁碳布(FeP/CC)中间层高效催化多硫化物实现锂硫电池的高容量与高稳定性

锂硫电池高的比能量密度(2600Wh·kg^-1),使其成为一种很有前景的储能系统.然而,在氧化还原反应中,中间产物多硫化物(LiPSs)的穿梭效应,以及缓慢的电化学反应动力学导致阴极和阳极的严重降解,使容量迅速衰减.在此,制备了一种多功能磷化铁碳布(Fe P/CC)中间层,为锂硫电池提供了更多的活性位点,不仅可以物理捕获多硫化物(LiPSs)以抑制穿梭效应,确保稳定的循环,而且对LiPSs具有催化能力,有助于提高电化学反应动力学.带有FeP/CC中间层的锂硫电池可实现1329m Ah·g^-1的首圈放电容量,在100圈循环后,仍然能保持在1100m Ah·g^-1的可逆容量,并且FeP/CC表现出优异的对LiPS吸附与催化转化能力.这种多功能FeP/CC中间层为高稳定性以及高容量的锂硫电池提供了一种可行的思路.     

基于局部高盐界面润湿策略构筑的固态金属锂软包电池

固态金属锂电池因其优异的安全性和高的理论能量密度被认为是最具前景的下一代储能电池体系之一。随着以硫化物为代表的高离子导率电解质被逐渐开发,金属锂与固态电解质界面成为限制固态电池应用的主要瓶颈。金属锂/电解质的固固界面存在着界面接触差、界面电荷传输阻力高等问题。本文以固态金属锂软包电池为研究对象,通过由1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、乙二醇二甲醚与双三氟磺酰亚胺锂组成的局部高盐液态电解液(HFE-DME LiTFSI)对金属锂/固态电解质界面进行润湿,增加金属锂与固态电解质之间的离子接触,降低离子传输阻力,从而提高锂离子在界面的传输能力。在30 mm×30 mm Li|Li4Ti5O12(LTO)固态软包电池中,通过3.0μL·cm^?2 HFE-DME LiTFSI局部高盐液态电解液润湿金属锂与固态电解质界面,软包电池的界面电阻从4366Ω·cm^?2降低到了64Ω·cm^?2。在0.1C与0.5C倍率下,LTO的放电比容量分别达到107与96 mAh·g^?1。同时,Li-S固态软包电池在0.01C及0.02C下,比容量也达到了1100与932 mAh·g^?1。     

一种有助于稳定锂金属循环的富氟化位点框架结构

锂金属是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料,然而它的应用仍然受制于较差的循环稳定性。近期,二维氟化界面被广泛用于改善锂金属负极的成核机制、沉积形貌和循环稳定性。本工作通过将体积缩小化的氟化石墨颗粒与锂离子传导网络结合,获得了一种富氟化位点的三维框架结构。实验结果证明此类三维氟化结构可显著提升锂金属负极在不同电流密度和容量下的循环稳定性,且优于二维氟化界面结构。通过本工作的研究,证明了相较于单纯的二维氟化界面,三维锂离子传导网络和富氟化位点的合理结合可以成为一种改进的界面结构用于锂金属负极保护,为高能量密度锂金属电池的负极保护提供了新的设计思路。     

SnS2纳米花/石墨烯纳米复合物的一步法合成及其增强的锂离子存储性能

SnS₂ is considered as an attractive anode material to substitute commercial graphite anodes of lithium-ion batteries due to its high specific capacity of 645 mAh·g^-1 as well as low cost. Nevertheless, it suffers poor large volume expansion during the lithiation/delithiation processes, leading to the loss of electrical contact and rapid capacity fading. Herein, by using a facile one-step solvothermal method, SnS₂ nanoflower/graphene nanocomposites (SnS₂ NF/GNs) were prepared, where flower-like SnS₂ hierarchical nanostructures consisting of ultrathin nanoplates, are tightly enwrapped in graphene nanosheets. As anode materials for lithium-ion batteries, the SnS₂ NF/GNs electrode exhibit superior electrochemical performance, with a reversible capacity of 523 mAh·g^-1 after 200 charge-discharge cycles. The enhanced Li storage performance was attributed to the synergistic effect of SnS₂ and graphene. The SnS₂ NF can effectively accommodate the volume change and shorten Li⁺ diffusion distance, while graphene nanosheets can further alleviate the volume expansion of SnS₂ and improve the electronic conductivity.     

“Water-in-salt”聚合物电解质制备及其电化学性能研究

为提高柔性锂离子电池安全性和循环稳定性能,本实验以自由基聚合结合冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜为电解质载体,引入21 mol·kg^-1 LiTFSI 高浓度电解液,得到“water-in-salt”聚合物电解质。通过聚合物膜的形貌和孔道结构表征,红外光谱分析,离子电导率及电化学稳定窗口测试等对其基本物化特性进行了研究。冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜内部具有大量微孔结构,有利于电解液的载入。将该吸附了电解液的聚合物电解质膜与锰酸锂(LiMn₂O₄)正极和磷酸钛锂(LiTi₂(PO₄)₃)负极组装全电池进行充放电性能测试。结果表明,制得的柔性聚合物电解质具有良好的拉伸性能,高离子电导率(20°C,4.34 mS·cm^-1)和宽电化学稳定窗口(3.12 V)。以“water-in-salt”聚合物电解质为隔膜组装的LiMn₂O₄||LiTi₂(PO₄)₃ 全电池表现出优异的倍率性能和长循环稳定性。     

纳米MgO掺杂改善LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料

将氢氧化物共沉淀法制备的(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)（OH）₂在500℃热处理5 h得到具有尖晶石结构、纳米尺寸的氧化物M₃O₄(M=Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3).将其与LiOH及不同量的纳米MgO混合均匀,并在850℃热处理24 h制备了Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_1/xMg_xO₂（x=0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05）正极村料.随着Mg掺杂量的增大,正极材料的晶胞参数增大;少量的Mg掺杂增大了锂离子的扩散系数,而过度掺杂却使锂离子扩散系数有所降低,其中Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_0.98Mg_0.02O₂的锂离子扩散系数最大,其脱出和嵌入扩散系数分别为D_Li-dein=29.20×10^-11cm²·S^-1和D_Li-in=4.760×10^-11cm²·s^-1;其以3C倍率充放电的平均放电比容量为139.3 mAh·g^-1,比未掺杂的原粉约高9.5 mAh·g^-1;另外其循环性能也得到了大幅度改善.     

一种新型物理交联型凝胶聚合物电解质的制备与表征

以甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(MPEGM)和十六烷基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(HPEGM)为单体, 三乙二醇二甲醚(TEGDME)为增塑剂, 与锂盐(高氯酸锂, LiClO₄)和光引发剂(安息香二甲醚, DMPA)复合制成光敏体系, 经紫外(UV)固化得到物理交联型凝胶聚合物电解质(GPE)薄膜. 用红外(IR)光谱、差热分析(DSC)、拉伸测试和交流阻抗(AC) 等方法对聚合物基体和电解质的性能进行了研究.结果表明: 当共聚物P(MPEGM-co-HPEGM)中HPEGM含量为50%(w)时, 十六烷基链段(C₁₆)在聚氧化乙烯(PEO)链段静电斥力的作用下发生聚集, 自组装形成了物理交联, 提高了共聚物的空间稳定性; 温度和电解质中各组分的含量对电导率均有较大的影响, 综合性能较好的电解质在30℃时电导率可达0.87×10^-3 S·cm^-1; 采用循环伏安法测得该电解质的电化学窗口为0~4.5 V (vs. Li/Li⁺), 可以满足锂离子电池的应用要求; 组装成的LiFePO₄/GPE/Li电池, 在30℃下以0.1 C和0.2 C倍率进行充放电测试, 首次放电容量分别为154.7和148.0 mAh·g^-1.     

锂金属电池中的复合负极

锂金属具有理论比容量高、电位低等优点,被认为是电极中的“圣杯”。然而,锂金属负极在循环过程当中存在着不可控的枝晶生长、体积膨胀等问题,严重地阻碍了锂金属电池的商业化进程。本综述首先概述了锂枝晶的形成机理,然后对由小及大,自内而外,总结了近年来三种不同层次的锂金属电池复合负极:锂金属负极内部结构的复合、锂金属电池内部结构的复合以及锂金属电池内部环境与外界操作条件的复合。最后,本综述对未来多层次锂金属电池复合负极的前景做出了展望。     

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。     

三维介孔钴酸锌立方体的制备及其优异的储锂性能

采用简易、温和、实际耐用的水热方法制备了新型三维介孔立方体结构的钴酸锌纳米材料。每个钴酸锌立方体的边长大约在3-4μm之间,并由大量的纳米粒子和密集的孔隙所构成。通过氮吸附/脱附手段测试发现所制备的钴酸锌纳米材料具有较大的比表面积(41.4 m2?g~(-1))和介孔(6.32 nm)特性。使用钴酸锌纳米材料作为锂离子电池负极,金属锂作为正极组装锂电池并测试了材料的储锂性能。研究发现该电极材料在较高的电流密度下循环100周后,仍能呈现较高的可逆容量和超强的循环稳定性。这种优异的储锂性能主要归因于钴酸锌纳米材料的新型结构,这种介孔立方体结构能够加速锂离子的扩散,增加电极与电解液的接触面积并缓解锂离子嵌入/嵌出期间产生的体积膨胀。     

Dense Sphene-type Solid Electrolyte Through Rapid Sintering for Solid-state Lithium Metal Battery

The sphene-type solid electrolyte with high ionic conductivity has been designed for solid-state lithium metal battery. However, the practical applications of solid electrolytes are still suffered by the low relative density and long sintering time of tens of hours with large energy consumption. Here, we introduced the spark plasma sintering technology for fabricating the sphene-type Li_1.125Ta_0.875Zr_0.125SiO₅ solid electrolyte. The dense electrolyte pellet with high relative density of ca. 97.4% and ionic conductivity of ca. 1.44×10^-5 S/cm at 30℃ can be obtained by spark plasma sintering process within the extremely short time of only ca. 0.1 h. Also the solid electrolyte provides stable electrochemical window of ca. 6.0 V(vs. Li⁺/Li) and high electrochemical interface stability toward Li metal anode. With the enhanced interfacial contacts between electrodes and electrolyte pellet by the in-situ formed polymer electrolyte, the solid-state lithium metal battery with LiFePO₄ cathode can deliver the initial discharge capacity of ca. 154 mA·h/g at 0.1 C and the reversible capacity of ca. 132 mA·h/g after 70 cycles with high Coulombic efficiency of 99.5% at 55℃. Therefore, this study demonstrates a rapid and energy efficient sintering strategy for fabricating the solid electrolyte with dense structure and high ionic conductivity that can be practically applied in solid-state lithium metal batteries with high energy densities and safeties.