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.     

锂硫电池复合正极研究进展

锂硫电池因其超高的理论能量密度被视为极具前景的下一代电化学储能体系,其中高比容量的硫正极提供了锂硫电池的能量密度优势并直接决定了电池的实际性能。经过数十年的发展,最具前景的硫正极体系分别是硫碳复合（S/C）正极和硫化聚丙烯腈（SPAN）正极。本文系统综述了S/C正极和SPAN正极的最新研究进展。首先,简要介绍了两种正极的工作原理并进行了比较。S/C正极发生固-液-固多相转化反应,充放电表现为双平台特征。与之相比,SPAN正极发生固-固反应,充放电曲线为单平台。然后,对两种正极所面临的挑战和目前报道的优化策略进行了系统的分析与讨论。对于S/C正极,主要调控策略包括电极结构修饰、电催化剂设计与辅助氧化还原介体调控;对于SPAN正极,主要调控策略包括电极结构设计、电极形貌调控、杂原子掺杂和外源性氧化还原介体调控。最后,在电池尺度上对S/C正极和SPAN正极进行了综合比较,并对基于S/C正极和SPAN正极的锂硫电池在未来所面对的机遇与挑战进行了展望。     

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.     

高性能硫/碳凝胶复合正极材料的制备及应用

以碳凝胶作导电骨架,合成硫/碳凝胶复合物.XRD、SEM等表征显示,该复合材料完全保持了碳凝胶的形貌,颗粒大小在10μm以下,硫吸附在碳凝胶内部空隙中呈无定形态,表现出良好的电化学性能.以0.1C放电,该材料首圈放电容量达到1311mAh/g.0.2C循环充放,首圈放电容量为1107.1mAh/g,30周充放电后,放电容量仍不低于800mAh/g.     

高比能锂硫电池正极材料

锂硫电池被认为是最有发展潜力的新型多电子反应的二次电池体系之一.单质硫与锂反应的理论比容量为1675 mA h g?1,质量比能量达2600 W h kg?1,远远高于现行的传统锂离子二次电池材料.同时硫又具有来源丰富、环境友好等优点.然而,仍然有许多问题制约了锂硫电池的发展与广泛应用.本文综述了近年来锂硫电池正极材料的研究进展.     

锂硫电池正极用硫/介孔碳复合材料的制备及电化学性能

制备了以十二烷基硫酸钠(SDS)为模板的介孔碳,并将介孔碳和单质硫采用熔融渗透法复合制得硫/介孔碳复合材料。SEM、TEM和BET结果显示介孔碳成直径约为500 nm的大小均一的球体,存在孔径为2 nm的微孔;单质硫充分填充在介孔碳的微孔中。以硫/介孔碳复合物作为锂硫电池正极材料时显示出高的电化学性能。初始放电容量高达1519 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下充放电200个循环后依然能保持在835 mAh·g^-1。硫/介孔碳复合材料的高倍率性能和优异的循环稳定性,源于介孔碳良好的导电性及其孔结构的固硫作用。     

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。     

功能碳基复合材料在锂硫电池正极中的应用

碳基复合材料由于结构可变、形貌可调、成分可控,能够展现出优异的理化特性,在能源存储和转化领域具有极大的应用潜力.其中,锂-硫电池作为高效的能源存储和转化器件,长期受困于硫(S)和硫化锂(Li2S)绝缘的瓶颈,亟需开发高导电的储硫载体帮助锂-硫电池实现可逆充放电.研究表明,碳基复合材料具有强的导电能力,且可以通过表/界面...     

由含铝金属有机骨架材料制备的多孔碳在锂硫电池中的应用

采用水热法制备了一种含铝金属有机骨架材料, 其在高温下发生炭化得到多孔碳, 最后与硫复合制得锂硫电池正极材料. XRD图谱显示在高温炭化时多孔碳样品出现了部分石墨化. N₂等温吸附-脱附测试分析显示合成的多孔碳材料含有微孔和介孔结构. 对不同载硫量的锂硫电池进行了充放电性能测试, 结果显示S质量分数为46.3%的样品在0.01 C倍率下首次放电容量达到1272 mA·h/g; 在0.1 C倍率下首次放电容量为934 mA·h/g, 循环性能良好.     

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。     

石墨烯负载Ni2P纳米片作为锂硫电池的硫基复合正极材料

将磷化镍纳米片均匀负载到石墨烯(G)上制备出Ni₂P/G复合材料,并将其作为硫载体构筑了硫基复合材料(S/Ni₂P/G)。研究表明,磷化镍纳米片对可溶性多硫化物具有强的化学作用和较高的电催化活性,使S/Ni₂P/G硫基复合材料表现出良好的电化学性能。特别是,在高硫含量(80.3%)和低电解液用量(15μL·mg^-1)条件下,S/Ni₂P/G硫基复合材料展现出1 164.7 m Ah·g^-1的质量比容量和良好的循环稳定性。此外,S/Ni₂P/G复合材料具有高的振实密度(1.02 g·cm^-3),其体积比容量高达954.0 m Ah·cm^-3,约为S/G复合材料体积比容量的1.6倍。     

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。     

用于高性能锂硫电池的二维氮硫共掺杂多孔碳纳米片的快速合成

本工作基于工业炼油产品沥青,开发了一种无金属、氮和硫共掺杂多孔碳纳米片（NSPC）的合成方法。获得的多孔碳纳米片具有高比表面积（339 m²·g^-1）和优异的固硫能力。同时,高含量氮、硫共掺杂可以有效增强碳材料的导电性,同时促进多硫化物的高效催化转化。通过熔融法固硫后,制备得到的NSPC/S电极具有较高的比容量和优异的循环稳定性（在0.6C电流密度下,200次循环后容量为762 mAh·g^-1）,实现了高含量氮和硫共掺杂的二维多孔碳材料的快速批量生产并用于高性能锂硫电池正极材料。     

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.     

介孔碳纳米纤维-硫作为锂硫电池正极材料

锂硫电池的商用化受到硫和多硫化锂低的电导率、多硫化锂在有机电解液中的溶解、放电过程中硫的体积膨胀等因素的制约。我们通过自模板法制备了具有石墨化孔壁结构的介孔碳纳米纤维（MCNF）,并利用这种结构将硫和多硫化锂封装在碳骨架内。具有石墨化孔壁结构的一维MCNF能够在循环中为硫和多硫化锂提供良好的导电网络。MCNF中小的介孔能够抑制长链多硫化锂的扩散。另外,MCNF大的孔容能够负载比较多的硫,并且能够为硫的放电膨胀提供足够的纳米空间。本工作制备的MCNF-硫纳米复合材料在0.8A·g^-1的电流密度下,经过100次循环后仍有820mAh·g^-1的比容量。     

介孔碳纳米纤维-硫作为锂硫电池正极材料(英文)

锂硫电池的商用化受到硫和多硫化锂低的电导率、多硫化锂在有机电解液中的溶解、放电过程中硫的体积膨胀等因素的制约。我们通过自模板法制备了具有石墨化孔壁结构的介孔碳纳米纤维(MCNF),并利用这种结构将硫和多硫化锂封装在碳骨架内。具有石墨化孔壁结构的一维MCNF能够在循环中为硫和多硫化锂提供良好的导电网络。MCNF中小的介孔能够抑制长链多硫化锂的扩散。另外,MCNF大的孔容能够负载比较多的硫,并且能够为硫的放电膨胀提供足够的纳米空间。本工作制备的MCNF-硫纳米复合材料在0.8 A·g-1的电流密度下,经过100次循环后仍有820 mAh·g-1的比容量。