高容量硫/碳复合正极材料

以锂为负极、硫为正极的锂/硫二次电池,由于其较高的理论能量密度(2 600Wh/kg),而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系.但是,硫正极材料存在的活性物质利用率偏低和循环性能较差等缺点制约了锂/硫电池的快速发展.本文主要综述了基于多孔碳材料负载硫来构筑硫/碳复合材料,进而改善硫电极材料电化学性能的研究进展,多孔碳...     

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.     

三维氮掺杂碳纳米带的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池凭借其高的理论能量密度（2600 W·h·kg^-1）、丰富廉价的材料来源、且对环境友好等优势,而引起了人们的广泛关注.然而,锂硫电池活性物质导电性差、多硫化物易溶于有机电解液等问题所导致的硫正极倍率性能和循环稳定性差,仍然是困扰锂硫电池发展的挑战性难题.我们设计并以廉价易得的小分子化合物对苯二酚和甲醛为原料,通过缩聚反应、与氧化石墨烯原位复合、高温氮化制备了一类新型氮掺杂的碳纳米带固硫载体材料（NCNB-NG）.通过NCNB-NG复合纳米硫进一步得到的碳-硫复合正极材料（S@NCNB-NG）表现出更优异的倍率性能和循环稳定性,这主要得益于该碳质载体独特的微结构以及改善的导电性.     

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.     

PEO基聚合物电解质及其锂硫电池性能研究

锂硫电池由于具有高的理论比能量引起了广泛关注,然而传统液态锂硫电池由于多硫化物的“穿梭效应”以及安全问题而限制了其应用,全固态锂硫电池可显著提高电池安全性能并有望解决多硫化物的穿梭问题. 本文采用传统的溶液浇铸法制备了具有不同的[EO]/[Li⁺]的PEO-LiTFSI聚合物电解质,并将其应用于锂硫电池. 研究发现,虽然[EO]/[Li⁺] = 8的聚合物电解质具有更高的离子电导率,但是[EO]/[Li⁺] = 20的电解质与金属锂负极间的界面阻抗更低,界面稳定性更好. Li|PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)|Li对称电池在60 °C,电流密度为0.1 mA·cm^-2时可稳定循环超过300 h,而Li|PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)|Li对称电池循环75 h就出现了短路现象. 基于PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)电解质的锂硫电池首圈放电比容量为934 mAh·g^-1,循环16圈后放电比容量为917 mAh·g^-1以上. 而基于PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)电解质的锂硫电池,由于与锂负极较低的界面稳定性不能够正常循环,首圈就出现了严重过充现象.     

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%。     

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。     

锂硫电池用多孔碳/硫复合正极材料的研究

锂硫电池具有高的理论比容量和理论能量密度,被认为是当前最有前景的二次电池体系之一。现阶段锂硫电池的研究工作主要集中于高性能硫正极材料的设计与合成。具有优良的导电性、良好的结构稳定性和多孔结构的纳米碳材料,比如活性碳、介孔碳、超小微孔碳、多级结构多孔碳、空心碳球和空心碳纤维,充分满足了锂硫电池正极材料对碳基体的要求。本文综述了近年来多孔碳/硫复合材料作为硫正极的研究进展。总结了以具有不同结构特征的多孔碳基体负载硫组装的锂硫电池的电化学性能,并分析了不同多孔结构对性能的影响。最后在此基础上,从多孔碳/硫复合正极材料的设计和合成的角度,展望了其未来的发展趋势。     

用于镁硫电池的原位生长NiS的泡沫镍正极集流体

采用原位生长NiS的泡沫镍NiS@Ni(NNF)和铜箔分别作为硫@微孔碳(S@MC)正极材料的集流体, 0.4 mol/L(PhMgCl)₂-AlCl₃+1.0 mol/L LiCl “二代镁锂混合”作为电解液, 测试了镁硫电池恒电流和不同倍率下的充放电性能, 分析了2种不同的集流体在涂覆相同正极材料下对镁硫电池性能影响的原因. 研究发现, 采用铜箔集流体的镁硫电池循环后正极极片上观察到明显的裂缝, 镁负极表面有分布不均匀的附着物, 硫含量略高. 采用NNF为集流体时, 由于泡沫镍具有缓冲硫正极体积变化的孔道结构, 正极极片能基本保持原本的形貌; 特别是在NNF上原位生长的NiS可电催化加速多硫化物中间体的转化, 减少多硫化物的生成并减缓其穿梭, 不干扰镁负极上发生的电化学反应, 使镁负极极片表面更为均匀, 明显改善了镁硫电池的循环稳定性和倍率性能.     

元素掺杂碳基材料在锂硫电池中的应用

可移动电子设备、电动汽车及站式储能的蓬勃发展对具有高能量密度和长循环寿命的储能体系的开发提出了迫切需求。锂硫电池由于活性物质硫成本低廉并具有高理论能量密度(2600 Wh·kg^-1),成为最具希望的下一代可充电电池。但是,硫及其放电产物导电性差以及多硫化物溶解穿梭导致的一系列严重问题制约了锂硫电池的实际应用。碳基材料通常被用作硫载体以改善正极的导电性,然而,非极性碳材料与极性多硫化物的相互作用较弱,对于多硫化物仅起到有限的物理吸附和阻挡作用,穿梭效应所导致的电池容量严重衰减问题难以得到有效改善。通过杂原子如N、S、Co、B等的掺杂可在碳材料上引入极性或化学吸附位点,大大增强了碳材料对于多硫化物的吸附能力,有效改善了电池的循环稳定性,并且由于掺杂改变了碳材料的电子结构,甚至可以提升碳材料的电子导电性,从而提高了活性物质的利用率。本文对锂硫电池中多孔碳、碳纳米管以及石墨烯等碳基材料常用的元素掺杂进行了介绍,其中包括单元素掺杂、双元素掺杂和多元素掺杂,分析了不同掺杂元素对碳基材料性能的影响,并对元素掺杂碳基材料在锂硫电池中的发展前景进行了展望。     

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.     

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。     

锂硫电池硫正极催化转换反应的研究进展

单质硫作为电池的正极材料,其电化学过程历经多个步骤,完全放电生成最终产物是一个2电子反应. 低阶多硫化锂的生成需克服一定的能垒,且由Li₂S₂得到一个电子还原生成Li₂S的反应是速控步骤. 硫正极的反应动力学是决定锂硫电池电化学性能,如比能量、比功率、低温性能等的关键因素. 提高速控步骤的反应动力学还能加速可溶性多硫化锂Li₂S₄向不溶性Li₂S₂和Li₂S的转化,有利于减缓或消除多硫化锂的“穿梭效应”. 近年,已有大量的过渡金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物、磷化物,单原子催化剂和氧化还原电子中继体等被应用于催化硫正极反应,提高了电极的电化学性能和循环稳定性. 但是,目前详细的催化反应机制尚不完全清晰. 本文重点综述了这些化合物在硫正极反应中的作用机制,总结了近年来的研究进展,并对硫正极催化转换反应的研究和发展进行了展望.     

Ferrocene‐Promoted Long‐Cycle Lithium–Sulfur Batteries

Confining lithium polysulfide intermediates is one of the most effective ways to alleviate the capacity fade of sulfur‐cathode materials in lithium–sulfur (Li–S) batteries. To develop long‐cycle Li–S batteries, there is an urgent need for material structures with effective polysulfide binding capability and well‐defined surface sites; thereby improving cycling stability and allowing study of molecular‐level interactions. This challenge was addressed by introducing an organometallic molecular compound, ferrocene, as a new polysulfide‐confining agent. With ferrocene molecules covalently anchored on graphene oxide, sulfur electrode materials with capacity decay as low as 0.014 % per cycle were realized, among the best of cycling stabilities reported to date. With combined spectroscopic studies and theoretical calculations, it was determined that effective polysulfide binding originates from favorable cation–π interactions between Li⁺ of lithium polysulfides and the negatively charged cyclopentadienyl ligands of ferrocene.     

Dual Dopamine Derived Polydopamine Coated N-Doped Porous Carbon Spheres as a Sulfur Host for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries

Lithium–sulfur (Li–S) batteries are considered to be one of the most promising energy storage systems owing to their high energy density and low cost. However, their wide application is still limited by the rapid capacity fading. Herein, polydopamine (PDA)-coated N-doped hierarchical porous carbon spheres (NPC@PDA) are reported as sulfur hosts for high-performance Li-S batteries. The NPC core with abundant and interconnected pores provides fast electron/ion transport pathways and strong trapping ability towards lithium polysulfide intermediates. The PDA shell could further suppress the loss of lithium polysulfide intermediates through polar–polar interactions. Benefiting from the dual function design, the NPC/S@PDA composite cathode exhibits an initial capacity of 1331 mAh g⁻¹ and remains at 720 mAh g⁻¹ after 200 cycles at 0.5 C. At the pouch cell level with a high sulfur mass loading, the NPC/S@PDA composite cathode still exhibits a high capacity of 1062 mAh g⁻¹ at a current density of 0.4 mA cm⁻².     

磷酸钒锂/石墨烯复合正极材料的制备及表征

通过三聚氰胺甲醛树脂(MR)中的羟基与石墨烯氧化物(GO)中的羧基发生的沉淀反应来制备功能化的氧化石墨烯前驱体,然后利用溶胶-凝胶及高温热处理方法制备磷酸钒锂/石墨烯复合材料,利用此材料制备了电池电极,并对电极材料进行了结构和电化学表征。结果表明,所得磷酸钒锂为单斜晶系结构,石墨烯堆叠程度显著降低,也有效避免了磷酸钒锂颗粒的团聚,提高了材料的电化学性能。电池的充放电曲线极化较小,在3.0~4.3 V的区间内20 C倍率仍有86 mA·h/g的可逆容量。0.1 C循环100次后容量为119.7 mA·h/g,容量保持率94%。在3.0~4.8 V的高电压区间,10 C倍率下可逆容量80 mA·h/g,0.1 C循环100次后仍有145.6 mA·h/g的可逆容量。优异的循环和倍率性能以及较低的碳含量符合锂离子正极材料实用的要求。     

掺铝富锂材料Li1.2Mn0.543Co0.078Ni0.155Al0.030O2电极的电化学性能

本文合成了掺铝富锂材料Li_1.2Mn_0.543Co_0.078Ni_0.155Al_0.030O₂,并使用扫描电镜（SEM）、粉末X射线衍射（XRD）、电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）和拉曼散射光谱（Raman）等观察表征富锂和掺铝富锂材料. 结果表明,共沉淀法合成掺铝富锂材料,具有R-3m空间群结构,Al元素进入晶格,未单独成相. 电化学性能和非现场XRD测试结果表明,4%（by mole）掺铝富锂电极100周期循环容量保持率83.7%,Al元素掺杂有利于容量的释放,增强了电极富锂材料的结构稳定性,提高了循环性能.     

Pomegranate‐Structured Silica/Sulfur Composite Cathodes for High‐Performance Lithium–Sulfur Batteries

Porous materials have many structural advantages for energy storage and conversion devices such as rechargeable batteries, supercapacitors, and fuel cells. When applied as a host material in lithium‐sulfur batteries, porous silica materials with a pomegranate‐like architecture can not only act as a buffer matrix for accommodating a large volume change of sulfur, but also suppress the polysulfide shuttle effect. The porous silica/sulfur composite cathodes exhibit excellent electrochemical performances including a high specific capacity of 1450 mA h g^?1, a reversible capacity of 82.9 % after 100 cycles at a rate of C/2 (1 C=1672 mA g^?1) and an extended cyclability over 300 cycles at 1 C‐rate. Furthermore, the high polysulfide adsorption property of porous silica has been proven by ex‐situ analyses, showing a relationship between the surface area of silica and polysulfide adsorption ability. In particular, the modified porous silica/sulfur composite cathode, which is treated by a deep‐lithiation process in the first discharge step, exhibits a highly reversible capacity of 94.5 % at 1C‐rate after 300 cycles owing to a formation of lithiated‐silica frames and stable solid‐electrolyte‐interphase layers.     

Solution-based Preparation of High Sulfur Content Sulfur/Graphene Cathode Material for Li-S Battery

Practical Li-sulfur batteries require the high sulfur loading cathode to meet the large-capacity power demand of electrical equipment.However,the sulfur content in cathode materials is usually unsatisfactory due to the excessive use of carbon for improving the conductivity.Traditional cathode fabrication strategies can hardly realize both high sulfur content and homogeneous sulfur distribution without aggregation.Herein,we designed a cathode material with ultrahigh sulfur content of 88%(mass fraction)by uniformly distributing the water dispersible sulfur nanoparticles on three-dimensionally conductive graphene framework.The water processable fabrication can maximize the homogeneous contact between sulfur nanoparticles and graphene,improving the utilization of the interconnected conductive surface.The obtained cathode material showed a capacity of 500 mA·h/g after 500 cycles at 2.0 A/g with an areal loading of 2 mg/cm2.This strategy provides possibility for the mass production of high-performance electrode materials for high-capacity Li-S battery.