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。     

“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.     

锂硫电池正极材料研究进展

电动汽车行业的迅速发展,逐步提高了对二次电池容量的要求,因此急需发展新型高容量锂电池。锂硫电池具有高理论比容量(1675mAh/g)和高理论比能量(2600Wh/kg),使其能够实现锂离子电池3~5倍的能量密度。但是,正极长链多硫化物溶解引起的容量衰减快、循环寿命短等因素限制了锂硫电池的实用化进程。本文针对正极聚硫锂溶解问题,从正极材料表面包覆、表面吸附、表面催化的角度对近年来提高锂硫电池循环性能的正极材料研究思路和研究进展进行综述,最后对提高锂硫电池性能的发展趋势提出展望。     

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.     

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”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。     

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.     

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.     

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。     

Effect of cations in ionic liquids on the electrochemical performance of lithium-sulfur batteries

Lithium-sulfur(Li-S) battery is a promising choice for the next generation of high-energy rechargeable batteries, but its application is impeded by the high dissolution of the polysulfides in commonly used organic electrolyte. Room temperature ionic liquids(RTILs) have been considered as appealing candidates for the electrolytes in Li-S batteries. We investigated the effect of cations in RTILs on the electrochemical performance for Li-S batteries. Ex situ investigation of lithium anode for Li-S batteries indicates that during the discharge/charge process the RTIL with N-methyl-N-propylpyrrolidine cations(P13) can effectively suppress the dissolution of the polysulfides, whereas the RTIL with 1-methyl-3-propyl imidazolium cation(PMIM) barely alleviates the shuttling problem. With 0.5 mol L-1 LiTFSI/P13 TFSI as the electrolyte of Li-S battery, the ketjen black/ sulfur cathode material exhibits high capacity and remarkable cycling stability, which promise the application of the P13-based RTILs in Li-S batteries.     

锂-硫二次电池界面反应的特殊性与对策分析

锂-硫电池是在现有锂离子电池基础上最可能实现储能密度大幅提升的实用二次电池体系. 然而,这一电池体系的电化学利用率与循环稳定性仍然难以满足应用要求. 造成锂-硫电池性能不稳定的原因在于硫正极和锂负极的材料结构和反应环境始终处于变化之中,如在充放电过程中,硫-碳反应界面的电化学阻塞、中间产物的溶解流失、正负极之间的穿梭效应等副反应导致正极与负极均难形成稳定的电化学反应界面。针对这些特殊问题,本文简要分析了影响能量利用率和循环稳定性的化学与电化学机制,并提出了构建稳定锂负极与高效硫正极的若干可行性技术.     

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.     

Correlating Polysulfide Solvation Structure with Electrode Kinetics towards Long-Cycling Lithium–Sulfur Batteries

Lithium–sulfur (Li−S) batteries are promising due to ultrahigh theoretical energy density. However, their cycling lifespan is crucially affected by the electrode kinetics of lithium polysulfides. Herein, the polysulfide solvation structure is correlated with polysulfide electrode kinetics towards long-cycling Li−S batteries. The solvation structure derived from strong solvating power electrolyte induces fast anode kinetics and rapid anode failure, while that derived from weak solvating power electrolyte causes sluggish cathode kinetics and rapid capacity loss. By contrast, the solvation structure derived from medium solvating power electrolyte balances cathode and anode kinetics and improves the cycling performance of Li−S batteries. Li−S coin cells with ultra-thin Li anodes and high-S-loading cathodes deliver 146 cycles and a 338 Wh kg⁻¹ pouch cell undergoes stable 30 cycles. This work clarifies the relationship between polysulfide solvation structure and electrode kinetics and inspires rational electrolyte design for long-cycling Li−S batteries.     

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.     

In Operando X-ray diffraction and transmission X-ray microscopy of lithium sulfur batteries

Rechargeable lithium-sulfur (Li-S) batteries hold great potential for high-performance energy storage systems because they have a high theoretical specific energy, low cost, and are eco-friendly. However, the structural and morphological changes during electrochemical reactions are still not well understood. In this Article, these changes in Li-S batteries are studied in operando by X-ray diffraction and transmission X-ray microscopy. We show recrystallization of sulfur by the end of the charge cycle is dependent on the preparation technique of the sulfur cathode. On the other hand, it was found that crystalline Li(2)S does not form at the end of discharge for all sulfur cathodes studied. Furthermore, during cycling the bulk of soluble polysulfides remains trapped within the cathode matrix. Our results differ from previous ex situ results. This highlights the importance of in operando studies and suggests possible strategies to improve cycle life.     

X‐ray Absorption Near‐Edge Structure and Nuclear Magnetic Resonance Study of the Lithium–Sulfur Battery and its Components

Understanding the mechanism(s) of polysulfide formation and knowledge about the interactions of sulfur and polysulfides with a host matrix and electrolyte are essential for the development of long‐cycle‐life lithium–sulfur (Li–S) batteries. To achieve this goal, new analytical tools need to be developed. Herein, sulfur K‐edge X‐ray absorption near‐edge structure (XANES) and ^6,7Li magic‐angle spinning (MAS) NMR studies on a Li–S battery and its sulfur components are reported. The characterization of different stoichiometric mixtures of sulfur and lithium compounds (polysulfides), synthesized through a chemical route with all‐sulfur‐based components in the Li–S battery (sulfur and electrolyte), enables the understanding of changes in the batteries measured in postmortem mode and in operando mode. A detailed XANES analysis is performed on different battery components (cathode composite and separator). The relative amounts of each sulfur compound in the cathode and separator are determined precisely, according to the linear combination fit of the XANES spectra, by using reference compounds. Complementary information about the lithium species within the cathode are obtained by using ⁷Li MAS NMR spectroscopy. The setup for the in operando XANES measurements can be viewed as a valuable analytical tool that can aid the understanding of the sulfur environment in Li–S batteries.     

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。     

An Organodiselenide Comediator to Facilitate Sulfur Redox Kinetics in Lithium–Sulfur Batteries with Encapsulating Lithium Polysulfide Electrolyte

Lithium–sulfur (Li–S) batteries are regarded as promising high-energy-density energy storage devices. However, the cycling stability of Li–S batteries is restricted by the parasitic reactions between Li metal anodes and soluble lithium polysulfides (LiPSs). Encapsulating LiPS electrolyte (EPSE) can efficiently suppress the parasitic reactions but inevitably sacrifices the cathode sulfur redox kinetics. To address the above dilemma, a redox comediation strategy for EPSE is proposed to realize high-energy-density and long-cycling Li–S batteries. Concretely, dimethyl diselenide (DMDSe) is employed as an efficient redox comediator to facilitate the sulfur redox kinetics in Li–S batteries with EPSE. DMDSe enhances the liquid–liquid and liquid–solid conversion kinetics of LiPS in EPSE while maintains the ability to alleviate the anode parasitic reactions from LiPSs. Consequently, a Li–S pouch cell with a high energy density of 359 Wh kg⁻¹ at cell level and stable 37 cycles is realized. This work provides an effective redox comediation strategy for EPSE to simultaneously achieve high energy density and long cycling stability in Li–S batteries and inspires rational integration of multi-strategies for practical working batteries.