锂硫电池隔膜材料的研究进展

锂硫电池因其具有较高的理论容量和能量密度、原料丰富、环保性好、成本低等优点,被认为是目前最具发展潜力的新型高性能电池之一.锂硫电池主要由正极材料、电解液、隔膜以及负极材料构成.隔膜作为锂硫电池的重要组成部分之一,其性能优劣对电池整体性能有着重要的影响,高品质隔膜材料开发已是锂硫电池重要研究方向之一.本文全面综述了聚烯烃、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、共混聚合物等微孔隔膜和纳米纤维多孔膜在锂硫电池隔膜材料中的最新研究进展,并对未来高性能锂硫电池隔膜材料的开发进行了展望.     

锂硫电池先进功能隔膜的研究进展

随着电子设备和电动汽车对储能设备性能要求的不断提高,锂硫电池因其多电子转化化学赋予的高能量密度受到广泛关注.当前锂硫电池的实用化受到库伦效率低、正极容量快速衰减、负极循环性能差等问题的制约.针对锂硫电池上述瓶颈,设计多功能电解质系统有望大幅提升活性材料的利用效率及循环寿命.本文综述了近年来锂硫电池中多功能隔膜系统的研究进展,具体包括面向抑制副反应的选择性透过隔膜、面向正极的低界面电阻隔膜以及面向稳定负极界面的隔膜.并展望了锂硫电池多功能隔膜系统面临的科学挑战与未来发展的机遇.     

锂硫电池用石墨烯基材料的研究进展

锂硫电池因其理论能量密度高、资源丰富和环境友好等优势,被认为是最有发展前景的下一代电化学储能系统之一。然而,硫的绝缘性、充放电中间产物多硫化物的溶解和扩散、硫的体积膨胀以及锂负极安全性等问题,严重制约着锂硫电池的商业应用。石墨烯因其具有高导电、高柔性等诸多优异特性而被广泛研究,将其用于锂硫电池的正极载体、隔膜涂层和集流体中,以期实现高比能、高稳定性的锂硫电池。本文综述了石墨烯基材料,包括石墨烯、功能化石墨烯、掺杂石墨烯和石墨烯复合物,在锂硫电池中应用的研究进展,并展望了锂硫电池用石墨烯基材料的未来发展方向。     

单原子催化剂在锂硫电池中的研究进展

锂硫电池由于具有能量密度高、 成本低等突出特点, 已经成为下一代高能量密度电化学储能体系的重要发展方向之一. 但锂硫电池的发展仍然存在硫利用率低、 循环寿命短及倍率性能差等亟待解决的关键问题. 单原子催化剂具有高的原子利用率和原子级尺度的结构可调变性等突出特点, 在锂硫电池研究领域受到了广泛的关注. 本文从正极、 负极、 隔膜/中间层3个方面总结了单原子催化剂在锂硫电池中的最新研究进展. 最后, 还对单原子催化剂在锂硫电池中未来的研究发展方向以及需解决的关键科学和技术问题进行了展望, 以期推动单原子催化材料在锂硫电池中的进一步广泛应用.     

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。     

锂硫电池用碳化钛涂层隔膜性能探究

为提高锂硫电池的比容量和循环性能,本文使用纳米碳化钛（TiC）作为涂层制备得到TiC/Celgard涂层隔膜,并探究其对锂硫电池性能的影响. 电化学性能测试结果表明,涂层隔膜能有效提高电池在不同倍率下的比容量以及电池的循环性能,在2C倍率下仍表现出650 mAh·g-1的比容量,0.5C循环100周容量仍能保持在843.1 mAh·g-1.     

隔膜对锂-铜电池短路时间的影响

隔膜在锂离子电池中起着防止正负极直接短路和提供离子传输通道的作用，决定着电池的安全性能.在本文中，我们利用锂-铜电池的短路时间建立了一种评价隔膜安全性能的方法 .通过对电池短路时间的研究发现，对于同一种类型的隔膜，短路时间与隔膜厚度和内阻的线性相关度较高，隔膜厚度和内阻的增加均能延长电池的短路时间.同一厚度不同类型的隔膜，其电池的短路时间与隔膜自身的微孔结构相关.电池的短路时间与隔膜的穿刺强度之间的线性相关程度较低，结合电池短路后隔膜表面枝晶形貌的观察，我们推测枝晶是沿隔膜的孔道持续生长最终穿透隔膜，而非刺穿隔膜导致的电池短路.利用不同厚度的隔膜组装锂硫电池，发现循环寿命与隔膜厚度具有显著线性相关性，验证了测试方法在实际电池使用中的有效性.同时，研究也证实，利用功能隔膜调控锂的沉积行为、抑制锂的枝晶沉积能极大延长电池的短路时间，提升电池的安全性能，这为新型高安全性复合隔膜及电池的研究和设计提供了新的思路和理论依据.     

锂离子电池隔膜改性研究进展

锂离子电池作为便携式电子产品、新能源汽车、蓄电设备等产品电源备受关注。锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液四部分组成。隔膜虽然不直接参与锂离子电池中的电化学反应,但是隔膜作为锂离子电池的重要组成部分,其性质在很大程度上影响锂离子电池的性能。目前聚烯烃仍是使用最为广泛和商业化最为成功的锂离子电池隔膜材料,但因其不良的电解液浸润性和热稳定性,降低了锂离子电池的电性能和安全性,因此改性成为改善聚烯烃隔膜材料性能和推广应用的重要途径。本文从聚烯烃材料多层膜结构改性、表面涂覆改性和层层自组装改性三方面总结了近五年聚烯烃隔膜改性研究的最新进展。最后,提出增强聚烯烃隔膜的热稳定性和电化学性能仍是未来研究重点,并对新型隔膜材料进行展望。     

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。     

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.     

金属锂电池的热失控与安全性研究进展

锂离子电池在便携式储能器件及电动汽车领域得到了广泛应用,然而频繁发生的电池起火爆炸事故,使热失控和热安全问题备受人们关注,目前已有多篇综述报道了缓解锂离子电池热失控的措施。相比于已经接近理论比能极限的锂离子电池,金属锂负极具有更高的比容量、更低的电势和高反应活性,但是不可控的锂枝晶生长,使得金属锂电池的热失控问题更为复杂和严重。针对金属锂电池的热失控问题,本文首先介绍了热失控的诱因及基本过程和阶段,其次从材料层面综述了提高电池热安全性的多种策略,包括使用阻燃性电解质、离子液体电解质、高浓电解质和局域高浓电解质等不易燃液态电解质体系,开发高热稳定性隔膜、热响应隔膜、阻燃性隔膜和具有枝晶检测预警与枝晶消除功能的新型智能隔膜,以及研究热响应聚合物电解质,最后对金属锂电池热失控在未来的进一步研究进行了展望。     

High safety separators for rechargeable lithium batteries

Lithium-ion batteries(LIBs) are presently dominant mobile power sources due to their high energy density, long lifespan, and low self-discharging rates. The safety of LIBs has been concerned all the time and become the main problem restricting the development of high energy density LIBs. As a significant part of LIBs, the properties of separators have a significant effect on the capacity and performances of batteries and play an important role in the safety of LIBs. In recent years, researchers devoted themselves to the development of various multi-functional safe separators from different views of methods, materials, and practical requirements. In this review, we mainly focus on the recent progress in the development of high-safety separators with high thermal stability, good lithium dendritic resistance, high mechanical strength and novel multifunction for high-safety LIBs and have in-depth discussions regarding the separator's significant contribution to enhance the safety and performances of the batteries. Furthermore, the future directions and challenges of separators for the next-generation high-safety and high energy density rechargeable lithium batteries are also provided.     

《能源电化学材料》专辑序言

以电化学能量储存和转化为特点的电池、电容器等储能技术,正在信息通讯、新能源汽车、微电网、分布式发电、大型电力储能、智能电网等领域得到广泛应用,将有力推动能源互联网的快速发展. 作为储能核心技术之一的锂电池、钠电池与超级电容器,更加受到重视. 这些电化学储能装置的性能依赖于所使用的电极材料与结构等. 发展高能量密度、高功率密度和长循环寿命的低成本储能体系成为能源电化学材料研究的核心. 本专辑围绕锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等,收录了在该领域具有丰富研究经验的团队所撰写的8篇相关综述和研究论文. 其中,围绕下一代锂离子电池负极硅材料,邀请了3篇综述和研究论文;鉴于丰富的钠资源,在钠离子电池研究方面也邀请了3篇综述论文;同时在高能量密度的锂硫电池和高功率密度的超级电容器方面各邀请1篇论文. 从这些论文中,可以部分看出锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等能源电化学材料的研究进展. 希望借助此专辑的出版,能使广大读者更好地了解上述几类电池、电容器的研究现状,研究趋势和存在问题及挑战,为更深入地开展该领域研究提供参考,以推动我国能源电化学材料研究的进一步发展. 在此,对专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的辛勤劳动,表示最衷心的感谢！     

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。     

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.     

复杂中空结构材料的构筑及能源应用

随着能源问题的日益突显,开发新型多功能材料以满足能源存储与转换应用的需求变得尤为重要.在众多功能材料中,复杂中空结构材料由于其独特的结构和物理化学特性而备受关注.本文综合评述了复杂中空结构材料的普适性构筑方法(硬模板法、软模板法、自模板法、次序模板法和选择性刻蚀法)及在能源方面的应用(锂/钠/钾离子电池、锂硫电池、超级电容器、电催化、光催化及染料敏化电池等).最后,对复杂空心结构研究领域存在的问题及未来的发展方向进行了展望.     

下一代能源存储技术及其关键电极材料

由于能源危机与环境问题,全球能源的消耗正逐渐从传统化石能源转向其它清洁高效能源。高效清洁能源的存储是电动汽车和智能电网的关键技术,对新能源、新材料和新能源汽车国家战略新兴产业的发展具有重要意义。锂离子电池是目前广泛应用的一种能源存储器件。电动汽车和智能电网对能量密度、功率密度、循环寿命和成本等方面的要求越来越高,传统的锂离子电池面临巨大挑战,发展下一代能源存储技术迫在眉睫。高能量密度的锂硫电池和锂空气电池,低成本、高安全性的室温钠离子电池受到了越来越多的关注。本文简要总结了近年来锂硫电池、锂空气电池和钠离子电池及其关键电极材料的研究进展,并对这些新型能源存储技术存在的问题和未来的前景做出了分析和展望。     

Recent Development of Polyolefin‐Based Microporous Separators for Li−Ion Batteries: A Review

Secondary Li?ion batteries have been paid attention to wide‐range applications of power source for the portable electronics, electric vehicle, and electric storage reservoir. Generally, lithium‐ion batteries are comprised of four components including anode, cathode, electrolyte and separator. Although separators do not take part in the electrochemical reactions in a lithium‐ion (Li?ion) battery, they conduct the critical functions of physically separating the positive and negative electrodes to prevent electrical short circuit while permitting the free flow of lithium ions through the liquid electrolyte that fill in their open porous structure. Hence, the separator is directly related to the safety and the power performance of the battery. Among a number of separators developed thus far, polyethylene (PE) and polypropylene (PP) porous membrane separators have been the most dominant ones for commercial Li?ion batteries over the decades because of their superior properties such as cost‐efficiency, good mechanical strength and pore structure, electrochemical stability, and thermal shutdown properties. However, there are main issues for vehicular storage, such as nonpolarity, low surface energy and poor thermal stability, although the polyolefin separators have proven dependable in portable applications. Hence, in this review, we decide to provide an overview of the types of polyolefin microporous separators utilized in Li?ion batteries and the methods employed to modify their surface in detail. The remarkable results demonstrate that extraordinary properties can be exhibited by mono‐ and multilayer polyolefin separators if they are modified using suitable methods and materials.     

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。     

高安全性阻燃动力锂离子电池隔膜

逐年加剧的能源短缺以及日益严重的环境污染问题使得发展电动汽车日益迫切.电动汽车安全问题对动力锂离子电池在大功率输出和高安全性能等方面提出了更高的要求.隔膜电解质体系是制约动力锂离子电池快速发展的重要瓶颈之一,因此,开发高性能的隔膜对提高动力锂离子电池的综合性能至关重要.本文综述了近年来隔膜材料的种类、制备工艺、性能以及本课题组在高安全性阻燃动力锂离子电池隔膜方面的研究进展,并对未来电池隔膜的发展方向进行了预期和展望.