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.     

调控电催化剂电子结构促进锂硫电池多硫化物催化转化的研究进展（英文）

锂硫电池具有高的理论能量密度(2600 Wh kg^-1),是传统金属氧化物正极和石墨负极组装的锂离子电池能量密度的3-5倍.同时,锂硫电池以单质硫作为活性物质,具有环境友好及价格低廉的优势,因此被认为是最具发展前景的电化学储能系统之一.然而,锂硫电池的商业化应用仍面临诸多挑战和障碍,比如单质硫和放电产物硫化锂的绝缘特性,活性物质充放电过程中的体积变化以及多硫化物穿梭导致的活性物质不可逆损失、低的库伦效率及差的循环稳定性等.对于单质硫及放电产物的绝缘特性,可通过构建高导电的网络结构或者减小硫颗粒尺寸来克服.对于充放电过程中活性物质的体积变化问题,可通过制备柔性电极或者设计具有分级多孔的三维网络结构材料来克服.唯独对多硫化物的穿梭问题,还没有找到一种方案来有效解决.锂硫电池前期的研究工作主要通过调控载体材料的物理结构实现对多硫化物的物理及化学吸附,从而在一定程度上抑制了多硫化物的穿梭.然而多硫化物穿梭的产生不仅仅与多硫化物的迁移扩散有关,更与载体材料界面处多硫化物迟缓的氧化还原转化有关.当载体材料界面处多硫化物无法实现快速转化时就会导致界面处多硫化物的富集,进而导致严...     

锂硫电池中的硫正极电催化认识

以单质硫为正极的锂硫电池表现出极高的放电比容量(1672 mAh·g^-1),是极具潜力的下一代二次动力电池。然而,充放电过程中溶解的高阶多硫化锂(Li₂S_n,4≤n≤8)的穿梭效应,以及硫物种缓慢的氧化还原动力学过程是锂硫电池商业应用前需要解决的关键问题。而电化学催化的引入是解决上述问题行之有效的策略。本文从电化学催化角度出发,重新讨论认识多硫化物的存在形式,并从吸附-催化、活性中间体两个方面,根据不同的反应机理、路径分析多硫化物转化机制,总结定量评价催化性能方法,以期为锂硫电池高效电催化剂的设计提供思路。     

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.     

过渡金属及其化合物应用于锂硫电池的研究进展

锂硫电池因具有高理论比容量和性价比,被认为是具有发展潜力的新型二次电池。 但是,作为活性物质的单质硫和反应产物是电子绝缘体,充放电过程的中间产物多硫化锂在电解液中易于溶解和迁移引起“穿梭效应”和一系列的副反应,造成活性物质利用率低,电池的电化学稳定性变差。 本文综述了近年来过渡金属纳米材料应用于锂硫电池的研究进展,重点介绍了材料的合成方法以及其抑制多硫化锂溶解并促进其转化的反应机理,并对锂硫电池正极载体材料的发展方向进行了展望。     

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。     

芘对聚苯胺锂硫电池低温性能的影响机制研究

提出在电解液中加入电荷转移中间体改善锂硫电池低温性能的思路,在电解液中添加芘作为电荷转移中间体,加速低温下聚苯胺锂硫电池电化学反应的平衡过程.循环伏安研究证明,芘在锂硫电池放电过程中的高压平台附近具有电化学活性,并通过X射线光电子能谱证实芘的引入能够使锂硫电池在低温下提高多硫化物平衡速率,延长第一平台,生成更多长链多硫化锂.对同样电极材料组成的聚苯胺/硫复合正极材料构成的锂硫电池,当在电解液中加入0.1 mol/L的芘时,相比于不含芘的锂硫电池,其第50次充放电循环下容量在0oC时能够提升22.8%,而在-15oC时能提升25.1%.     

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。     

单原子催化剂在锂硫电池中的研究进展

锂硫电池因其较高的理论比容量和能量密度而成为最有前途的下一代储能系统之一。然而,硫和放电产物硫化锂的低导电率、可溶性多硫化锂（LiPSs）的穿梭以及缓慢的反应动力学致使锂硫电池的循环寿命短、倍率性能低。近年来,研究表明具有强催化活性的单原子（SAs）是理想的LiPSs锚定中心和催化位点。用SAs修饰正极和隔膜有助于吸附多硫化物并催化其转化,修饰负极则可显著提高锂的剥离/沉积效率,抑制锂枝晶的生长。本文综述了SAs在锂硫电池中的研究进展,包括材料合成、表征方法以及应用方向。最后,对SAs应用在电池中所面临的挑战和未来发展方向进行总结。     

贫电解液下电催化剂对调控锂硫电池性能的研究进展

锂硫电池具有高理论能量密度(2600 Wh/kg)和高理论比容量(1675 mA·h/g),被视为最有可能替代锂离子电池实现商业应用的电化学储能系统之一。然而,锂硫电池所固有的缓慢氧化还原动力学和多硫化物的“穿梭效应”等问题严重影响了锂硫电池的循环性能以及循环寿命。目前,大部分综述主要集中于过量电解液下锂硫电池硫主体材料的设计制备方面,对贫电解液下锂硫电池性能的研究关注较少。基于此,本文介绍了贫电解液下不同电催化剂对锂硫电池氧化还原反应动力学和电化学性能的调控,主要分为非金属催化剂和金属催化剂两类,其中非金属催化剂包括非金属化合物、石墨烯、碳纳米管以及杂原子掺杂碳材料;金属催化剂包括钴基催化剂、钼基催化剂、铁基催化剂以及多金属基异质结构。最后,对推动锂硫电池实现商业应用需要进一步开展的研究提出了思考并进行了展望。     

硝酸锂作添加剂对锂硫电池电化学性能的影响

采用充放电测试和交流阻抗测试研究了硝酸锂作电解液添加剂对锂硫电池电化学性能的影响. 采用电子扫描显微镜观察分析了添加剂对锂负极的影响, 探讨了硝酸锂的作用机理.  结果表明, 采用硝酸锂作为锂硫电池电解液的添加剂, 可以在锂负极表面形成具有钝化负极活性表面及保护锂负极的界面膜.  该膜可以抑制电解液中高价态聚硫离子与锂负极的副反应, 避免在锂负极表面形成不可逆的硫化锂, 从而提高锂硫电池的循环性能和放电容量. 采用硝酸锂作添加剂的锂硫电池首次放电比容量达1172 mA?h/g, 循环100次比容量保持为629 mA?h/g.     

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.     

锂硫电池电解质研究进展

锂硫电池由于其高能量密度(理论高达2600 Wh/kg)、低成本、环境友好等优点而广受关注. 但是锂硫电池仍存在正极活性物质利用率低、循环性能差等问题. 造成这些问题的主要原因是易溶于有机电解液的中间产物聚硫锂Li₂S_n (4≤n≤8)和不溶于有机电解液的硫化锂造成的. 简要介绍了锂硫电池体系的主要问题,并结合本研究小组的研究,对锂硫电池用电解质体系从有机电解液组成、电解液添加剂、聚合物电解质和无机固体电解质等方面进行了详细的综述,最后对电解质的发展前景进行了展望.     

“蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器的设计、调控及在锂硫电池正极中的应用研究

锂硫电池具有理论能量密度高等优势,被认为是最有前景的一类新型二次电池.硫正极存在硫和硫化锂的导电性差、可溶性多硫化物的扩散/穿梭、循环过程中硫的体积膨胀以及氧化还原过程慢等问题,严重制约着电池的活性和循环稳定性.设计“蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器应用于锂硫电池正极,可通过调控其“蛋黄”、“蛋壳”和“空腔”结构缓解充放电过程中电极的体积变化,为离子/电子输运提供快速通道,强化对多硫化物的吸附和催化转换作用等,进而提高电极的活性和循环性能,有利于推进锂硫电池的商业化进程.本文总结了“蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器的设计和调控策略,包括单核-单壳、单核-多壳、多核-单壳以及多核-多壳等,并结合锂硫电池的工作特点和目前应用存在的问题,对未来发展前景进行了展望.     

有机硫化合物在锂硫电池中的应用

锂硫电池具有理论能量密度高、环境友好和成本低等优点,有望成为替代锂离子电池的新一代储能系统。然而,锂硫电池充放电产物的绝缘性、可溶性多硫化锂的穿梭效应、硫正极体积膨胀及锂枝晶的不可控生长,严重影响了锂硫电池的实际容量发挥和循环稳定性。为解决上述问题,采用有机硫化合物来替代单质硫作为正极材料是有前途的策略。调控有机硫化合物的硫链、碳链及其相互作用,可改变其电化学反应过程,提高离子/电子电导,抑制穿梭效应。有机硫化合物作为电解液添加剂,可调控硫正极的反应过程并保护金属锂负极,作为聚合物电解质的改性链段可加速锂离子传导。本综述对有机硫化合物在锂硫电池的正极、电解液添加剂和固态电解质中的应用研究进展进行详细的阐述。将有机硫化合物的结构、反应机理和电化学性质联系起来,为解决锂硫电池存在的问题提供见解。最后,提出高性能有机硫化合物的设计合成和机理研究思路,以期实现可实用化的锂硫电池。     

第一性原理计算应用于锂硫电池研究的评述

锂硫电池凭借超高理论容量和能量密度以及硫储量丰富和环境友好等优势被认为是极具发展前景的新一代高能电池体系。然而，活性硫及放电终产物导电性差、多硫化物穿梭效应、硫反应动力学缓慢等关键问题严重制约了其实际应用。研究人员采用硫正极设计、功能隔膜/中间层、电解质改性或固体电解质等策略，在解决以上问题方面取得重要进展。然而，针对锂硫电池内部实时动态反应过程、规律和机制以及电极/电解质界面设计调控策略仍缺乏深入认识。第一性原理计算逐渐发展为化学、材料、能源等诸多学科领域的重要研究工具，有助于从原子/分子水平理解反应中间产物性质、分子/电子间相互作用、电化学反应过程和规律、电极/电解质动态演化过程等，相较于“实验试错法”,其在研究锂硫电池内部多电子和多离子氧化还原反应方面具有显著优势。本文全面综述了运用第一性原理计算研究锂硫电池电极与多硫化物相互作用、充放电反应机制以及电解质三个方面的重要进展，展望了第一性原理计算应用于锂硫电池研究的当前挑战和未来发展方向。     

锂硫电池中的石墨烯掺杂

锂硫电池是以锂为负极,单质硫为正极的二次电池,具有高达1675 mA·h/g的比容量及2600 W·h/kg的比能量密度。理论上讲,相较于现有的锂离子电池,锂硫电池可使容量扩展5倍,这使其成为最有前景的锂离子电池。由于硫正极的绝缘性以及充放电过程中活性物质易溶于电解液,导致其可实现的能量密度远低于理论值。异原子掺杂石墨烯因具有优异的导电性,且对多硫化锂（LiPS）具有强的吸附作用而被广泛应用于锂硫电池,有效缓解了"穿梭效应",提高了电池的循环稳定性。本文主要从单原子掺杂、双原子掺杂两方面综述了异原子（如N,P,S,B）掺杂石墨烯在锂硫电池领域的研究现状,详细分析了其应用于锂硫电池的作用机理,并从掺杂量、掺杂形式、掺杂位置等方面对电池性能的提升进行了梳理和展望。     

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.     

“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。     

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。