V_2O_5空心球作为高效硫载体用于锂硫电池（英文）

以V_2O_5空心球作为锂硫电池的正极材料,将其用于存储硫和限制多硫化物的穿梭效应。V_2O_5空心球的平均直径约为500 nm,为存储硫提供了更多空间并适应硫电极的体积变化。同时,V_2O_5对多硫化物具有很强的化学吸附性,可以有效地限制多硫化物的穿梭效应。由于中空结构增加了硫的存储,并通过化学键牢固地吸附多硫化物,使该锂硫电池同时具有高容量和良好的稳定性。V_2O_5/S作为正极的锂硫电池在0.1C倍率时显示出1 439 mAh·g~(-1)的高可逆容量,并在1C的倍率下循环300次后的容量约为600 mAh·g~(-1)。     

果胶粘结剂在锂硫电池中的应用研究

锂硫电池由于其超高理论能量密度(2567 Wh·kg^?1),较低的成本,以及环境友好性,被视为下一代储能设备的有力竞争者之一.鉴于粘结剂在稳定硫正极结构和抑制多硫化物穿梭方面可发挥重要作用,发展高性能硫正极粘结剂是改善锂硫电池性能的有效途径之一.本文研究了以果胶作为锂硫电池正极粘结剂的可行性.研究表明,采用果胶作为粘结剂的锂硫电池在电化学循环测试中首次放电比容量可达1210.6 mAh·g^?1,并且在200次循环后仍有837.4 mAh·g^?1的放电比容量,明显优于羧甲基纤维素钠-丁苯橡胶复合粘结剂的电池性能.经研究证实果胶粘结剂性能优良的原因在于其可以有效确保多壁碳纳米管/硫复合正极的结构稳定性并抑制多硫化物的穿梭.     

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.     

金属单原子催化剂增强硫正极动力学的研究进展

单质硫具有理论能量密度高(2600 Wh·kg-1)、放电比容量高(1672mAh·g-1)、成本低等优势,是锂硫电池的理想正极材料。然而,在充放电过程中硫正极迟缓的反应动力学显著地限制了锂硫电池的性能。金属单原子催化剂(SMACs)具有独特的电子结构、金属含量低、理论上100%的原子利用率、催化活性高等优势,其不仅有效地促进了不同中间相的转化反应,而且可为含硫物质提供丰富的锚定位点,从而显著优化硫正极氧化还原反应动力学、多硫化物的穿梭行为和锂硫电池电化学性能。本文以剖析金属单原子催化剂与硫正极间的相互作用为出发点,结合其催化效应表征技术,重点解析了不同类型单原子催化剂的构筑策略、活性调控及其优化硫正极氧化还原行为的机制,展望了金属单原子催化剂在锂硫电池领域面临的挑战和未来发展方向。     

用纳米羟基磷灰石@多孔碳构建锂硫电池高效反应界面

由于正极活性物质硫具有能量密度高、成本低廉和储量丰富等优点,锂硫（Li-S）电池受到了人们的极大关注。然而,锂硫电池充放电过程中产生的多硫化锂的“穿梭效应”严重阻碍了其实用化进程。为了解决这个问题,本研究借助动物软骨的组成和结构特点,制备了纳米羟基磷灰石@多孔碳（nano-HA@CCPC）复合材料,并以此设计了面向正极的锂硫电池隔膜涂层。研究表明,纳米羟基磷灰石不仅对多硫化物具有吸附固定作用,并且对多硫化锂的转化具有催化作用,加快了多硫化锂的氧化还原动力学,有效地提升了活性物质硫的利用率。另外,软骨基碳复合材料的多孔结构形成了很好的导电网络,为电化学反应提供了优良的电子传导路径;也有利于电解液的浸润,加快了离子传输;碳的氮原子掺杂进一步限制了多硫化物的穿梭效应。因此,采用nano-HA@CCPC隔膜涂层的锂硫电池表现出较长的循环寿命、低的容量损失以及高的倍率性能。在0.5 C下,循环325次后,电池仍然能保持815 mAh·g^-1的放电比容量,并且每次的容量衰减率仅为0.051%。nano-HA@CCPC的设计制备将为锂硫电池的发展提供新材料。     

多壁碳纳米管-氮化钒空心球复合材料作为高效硫载体用于锂硫电池

以多壁碳纳米管/氮化钒复合材料(MWCNT-VN)作为锂硫电池正极载体材料,利用VN的空心结构储存硫和限制多硫化物的穿梭效应。另外,MWCNT形成了一个导电网络,进一步提升了正极的导电性能。在1C的电流密度下,VN/S电极与MWCNT-VN/S电极的初始放电比容量分别为702.2和809.3 mAh·g~(-1),经过350圈循环后,每圈衰减量均小于0.1%。与单纯VN/S相比,所得MWCNT-VN复合材料的电化学性能均有提升,如较高的锂离子迁移率、稳定的倍率性能和长循环稳定性。     

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。     

用于锂硫电池高效硫载体的Co-N-C@KB复合材料的规模化制备策略（英文）

硫正极较差的性能严重阻碍了锂硫电池的商业化进程,这些因素包括较低的导电能力以及在促进多硫化物转化方面较差的催化活性。我们开发了一种基于配体调控合成和低温热解的规模化策略来制备高效的正极复合材料(Co-N-C@KB),这种材料由富含Co-N-C活性位点的科琴黑(KB)组成。原子级分散的Co-N-C活性位点被证明有利于多硫化物在正极的转化,因而可以提高锂硫电池的容量和循环寿命。基于此,Co-N-C@KB作为正极可以使锂硫电池获得高达1 442 mAh·g-1的初始放电容量,并且该电池在长时间的稳定性测试中具有出色的容量保持能力。     

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。     

硫与Mn2O3空心球的复合结构及其在锂硫电池中的应用

在水热条件下,以碳球为模板合成了Mn₂O₃空心球,并用作锂硫电池的载硫基底材料。测试结果表明载硫量为51%的Mn₂O₃-S复合材料显示了较高的比容量,良好的循环稳定性和倍率性能。循环100圈后,最终可逆容量仍保持657 mA·g^-1,证明该Mn₂O₃空心球是一种有潜力的载硫基底材料。     

硫与Mn2O3空心球的复合结构及其在锂硫电池中的应用

在水热条件下,以碳球为模板合成了Mn₂O₃空心球,并用作锂硫电池的载硫基底材料。测试结果表明载硫量为51%的Mn₂O₃-S复合材料显示了较高的比容量,良好的循环稳定性和倍率性能。循环100圈后,最终可逆容量仍保持657 mA·g^-1,证明该Mn₂O₃空心球是一种有潜力的载硫基底材料。     

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。     

中空分级结构Fe3O4@C/rGO复合材料的合成及其储锂性能

以氧化石墨烯(GO)为基底,Fe(NO_3)_3·9H_2O、异丙醇、甘油为原料,通过溶剂热法和后续热处理过程2步合成了Fe_3O_4@C/rGO复合材料,实现了碳包覆的Fe_3O_4纳米粒子自组装形成的分级结构空心球在氧化石墨烯片上的原位生长。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和恒流充放电等手段分析了材料的物理化学性能与储锂性能。结果表明,该复合材料在5.0 A·g~(-1)的电流密度下,仍有437.7 mAh·g~(-1)的可逆容量,在1.0 A·g~(-1)下循环200圈后还有587.3 mAh·g~(-1)的放电比容量。这主要归因于还原态氧化石墨烯(rGO)对碳包覆Fe_3O_4分级空心球整体结构稳定性和导电性的提高。     

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.     

Bimetal-organic frameworks derived Co/N-doped carbons for lithium-sulfur batteries

Lithium-sulfur (Li-S) batteries have received extensive attention due to their high theoretical specific energy density. However, the utilization of sulfur is seriously reduced by the shuttle effect of lithium polysulfides and the low conductivity of sulfur and lithium sulfide (Li₂S). Herein, we introduced bimetal-organic frameworks (Co/Zn-ZIF) derived cobalt and nitrogen-doped carbons (Co/N-C) into Li-S batteries through host design and separator modification. The Co/N-C in Li-S batteries effectively limits the shuttle effect through simultaneously serving as polysulfide traps and chemical catalyst. As a result, the Li-S batteries deliver a high reversible capacity of 1614.5 mAh/g and superior long-term cycling stability with a negligible capacity decay of only 0.04% per cycle after 1000 cycles. Furthermore, they have a high area capacity of 5.5 mAh/cm².     

二维层状Ti3C2Tx-MXene@VS2用于高性能锂离子电池负极

为探索一种高性能的锂离子电池负极材料,采用酸刻蚀法制备了高导电性、高稳定性的二维层状Ti₃C₂T_x,通过溶剂热法制备了具有高理论比容量的花瓣状VS₂纳米片,再经过简单的液相混合得到了二维层状Ti₃C₂T_x-MXene@VS₂复合物。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、X射线衍射和能谱分析对复合材料的形貌和结构进行了表征,采用循环伏安、恒流充放电、长循环和交流阻抗谱对复合材料的电化学性能进行了研究。结果表明：VS₂纳米片均匀地分布在Ti₃C₂T_x的层间及表面,该复合物具有高的可逆容量(电流密度为0.1A·g^-1时,比容量为610.5mAh·g^-1)、良好的倍率性能(电流密度为2A·g^-1时,比容量为197.1mAh·g^-1)和良好的循环稳定性(电流密度为0.2 A·g^-1时,循环600圈后比容量为874.9 mAh·g^-1;电流密度为2 A·g^-1时,循环1 500圈后比容量为115.9mAh·g^-1)。     

Dual‐Confined Sulfur Nanoparticles Encapsulated in Hollow TiO2 Spheres Wrapped with Graphene for Lithium–Sulfur Batteries

Lithium–sulfur (Li?S) batteries are attractive owing to their higher energy density and lower cost compared with the universally used lithium‐ion batteries (LIBs), but there are some problems that stop their practical use, such as low utilization and rapid capacity‐fading of the sulfur cathode, which is mainly caused by the shuttle effect, and the uncontrollable deposition of lithium sulfide species. Herein, we report the design and fabrication of dual‐confined sulfur nanoparticles that were encapsulated inside hollow TiO₂ spheres; the encapsulated nanoparticles were prepared by a facile hydrolysis process combined with acid etching, followed by “wrapping” with graphene (G?TiO₂@S). In this unique composite architecture, the hollow TiO₂ spheres acted as effective sulfur carriers by confining the polysulfides and buffering volume changes during the charge‐discharge processes by means of physical force from the hollow spheres and chemical binding between TiO₂ and the polysulfides. Moreover, the graphene‐wrapped skin provided an effective 3D conductive network to improve the electronic conductivity of the sulfur cathode and, at the same time, to further suppress the dissolution of the polysulfides. As results, the G?TiO₂@S hybrids exhibited a high and stable discharge capacity of up to 853.4 mA h g^?1 over 200 cycles at 0.5 C (1 C=1675 mA g^?1) and an excellent rate capability of 675 mA h g^?1 at a current rate of 2 C; thus, G?TiO₂@S holds great promise as a cathode material for Li?S batteries.