高比能锂硫电池关键材料的研究

锂硫电池具有突出的高比能量优势和原料廉价、环境友好等优点,有望成为新一代高能电池体系,但循环性能差是制约其实用化的主要障碍.本文介绍了锂硫电池的国内外发展水平,综述了锂硫电池在正极材料、电解质、负极及体系方面的重要进展,并着重介绍了防化研究院近5年在这一领域的主要成果:制备了硫化导电高分子材料和介孔炭/硫复合材料两类正...     

锂硫电池中钴磷共掺杂MoS2催化性能的第一性原理研究

基于第一性原理计算, 探究了未掺杂、 Co单掺杂、 Co, P共掺杂MoS₂表面上多硫化物的吸附和转化, 揭示了Co, P共掺杂对MoS₂材料吸附能力和催化能力的影响. 研究结果表明, 共掺杂使得MoS₂吸附能力增强, 特别是对产物Li₂S的稳定吸附提供了多硫化物转化动力, 进而增强了催化能力. Co, P共掺杂表面与长链、 中链、 短链多硫化物之间均存在Li—S和S—P双重成键, 具备最大的吸附能力; 另一方面, 共掺杂表面对于产物Li₂S的显著稳定化作用降低了多硫化物转化过程中解离步骤的能量需求, 增大了转化过程的能量释放, 为多硫化物转化提供了驱动力. 上述两方面因素共同增强了MoS₂的催化活性, 有效抑制了穿梭效应, 提升了电池的电化学性能.     

锂硫电池中电极过程的原位可视化研究进展

锂硫电池被认为是极具应用潜力的下一代能源存储器件之一.在锂硫电池中,对电极-电解质界面物质结构和演变规律的深入探究及认知对其进一步发展至关重要.本文结合多种原位可视化技术,包括扫描探针显微术、电子显微术、X射线以及光学显微术,概述了近年来在锂硫电池中界面成像分析的研究进展.主要讨论了在硫正极界面、硫/硫化锂演变、多硫化物溶解以及在锂负极界面、固液界面层形成、锂沉积行为等问题,有助于理解锂硫反应的基本原理并提出优化方案.     

第一性原理计算在锂离子电池负极材料中的应用

本文综述了第一性原理计算在锂离子电池负极材料中的应用,包括锂离子在负极材料上的吸附和相互作用、结构稳定性、锂离子的扩散、电池反应过程的模拟和实验现象的解释. 第一性原理计算在研究和设计锂离子电池负极材料,特别是其容量、电压、反应过程、扩散、倍率充放电、结够与性能对应关系等方面,已发挥了重要的作用. 随着计算机技术的发展,第一性原理计算将可更深刻地反映负极材料的电化学可逆嵌/脱锂本质.     

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.     

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.     

面向高性能锂-硫二次电池应用的非对称电极-电解质界面（英文）

锂-硫电池具有高的理论电芯比能量和低成本,是极具应用前景的下一代电化学储能技术,已被广泛研究。实用化锂-硫电池技术目前面临的挑战主要包括正极侧电活性硫物种在充放电过程中的不可逆损失,负极侧枝晶形核生长,以及因活性硫迁移至负极而导致的界面副反应,上述问题会导致电池工况条件下性能迅速衰退,引发电池失效和安全问题。本工作中,我们提出通过设计非对称的电极-电解质界面稳定锂-硫电池正负极电化学,协同促进电极/电解质体相和界面电荷输运,从而延长电池循环寿命,显著提升电化学性能。本文所讨论的策略有望指导电池界面理性设计,助力实现高性能的锂-硫电池。     

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。     

乙炔黑涂层对锂硫电池性能的影响

锂硫电池的循环放电稳定性较低,因此我们采用一种低成本的方法改善锂硫电池的性能,即在硫电极表面制备乙炔黑涂层并测试了材料的形貌结构及电化学性能。结果表明,在硫含量（质量分数）70%的硫-乙炔黑复合材料中,硫附着在乙炔黑颗粒表面。接着在硫电极表面制备了厚度15 μm左右的乙炔黑涂层,乙炔黑涂层-硫电极的氧化反应电位低于硫电极,说明乙炔黑涂层有助于硫电极氧化反应的进行。与硫电极相比,乙炔黑涂层-硫电极活性物质的聚集程度低于硫电极,乙炔黑涂层-硫电极具有更高的放电比容量和循环放电稳定性。在150次循环充放电后,乙炔黑涂层-硫电极的放电比容量为894 mAh·g^-1。     

高安全、高比能固态锂硫电池电解质

锂硫电池具有理论能量密度高、成本低廉和环境友好等优点,是最有前途的下一代高比能二次电池系统之一。当前,基于有机电解液的液态锂硫电池存在多硫化锂穿梭效应、电解液易燃以及锂枝晶等问题,致使电池的库仑效率低、循环性能差,且存在严重的安全隐患。采用固态电解质(如凝胶聚合物、固态聚合物、陶瓷、复合电解质等)替代有机电解液是解决上述问题的有效途径。本文总结了近年来固态锂硫电池电解质的研究现状,评述了各类固态电解质的优缺点及改性策略,重点介绍了陶瓷固态电解质的研究进展。最后,对固态锂硫电池的未来发展趋势进行预测与展望。     

锂硫电池硫正极粘结剂的比较研究

本文将三类粘结剂体系(PVDF、LA133和CMC+SBR)用于构筑锂硫电池硫正极,表征了不同粘结剂材料的官能团结构、结晶性能、热力学性质、电解液吸收性与粘结强度,考察了粘结剂种类对电极电化学性能的影响。结果表明,由1∶1质量比的CMC+SBR制作的硫电极吸液率低,剥离强度低,循环稳定性较差;无定形LA133支持高的粘结强度,维稳电极结构的能力强;PVDF因半结晶状态制约粘结效果,制作的电极吸液量高,但电荷转移阻抗小。基于PVDF制作的硫正极具有相对最优的电化学性能,其0.2C下循环100周后保留的可逆容量达722mAh·g~(-1),容量保持率达82.9%。     

储氢材料第一性原理计算的研究进展

综述了第一性原理计算在储氢材料研究中取得的成果和最新的进展。 第一性原理计算在储氢材料研究中的应用主要有以下4个方面： 1）研究纳米结构的储氢性能; 2） 研究储氢材料中掺杂和缺陷的作用及对储氢性能的影响; 3）研究储氢机理; 4）确定氢化物的几何结构以及预测新型储氢材料。 同时展望了第一性原理计算在储氢领域中的应用前景。     

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.     

高性能锂硫电池材料研究进展

锂-硫氧化还原对的比能量为2 600Wh/Kg,几乎是所有的二次电池氧化还原对中最高的,当锂-硫电池放电产物为Li2S时,电池的比容量可达到1 675mAh/g.近年来,人们在提高锂硫电池的循环可逆性和硫的利用率方面开展了大量的研究工作.本文结合本实验室的工作综述了锂硫二次电池的最新研究进展,对电池的正极、黏结剂、电解...     

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.     

高性能锂-空气电池材料的研究

以锂为负极,空气为正极的锂-空气二次电池,由于其较高的理论能量密度(5 210 Wh.kg-1)而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系。通过近几年的研究和开发,人们对这一体系的了解不断深入。虽然对其电化学过程中的复杂反应机理尚没有完整系统的理论描述,但是在氧还原催化剂、空气电极材料及电解质材料等方面已开展了一些研究工作。本文综述了锂-空气电池的最新研究进展,对电池的正极材料、电解质和负极材料三个方面的研究进行了介绍,分析了该体系的缺陷及存在的问题,并展望了锂-空气电池的发展方向和前景。     

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.     

锂硫电池中硒缺陷WSe2催化性能的理论研究

二硒化钨具有优异导电性、高比表面积和大间距层状结构等特点,能作为催化材料有效提升锂硫电池的性能;然而少量的边缘活性位点阻碍了其催化活性的进一步提升.通过引入原子空位制造表面缺陷,可使其暴露更多的表面活性位点,提高催化活性.本文通过第一性原理计算考察了不同Se空位缺陷浓度(3.125%,6.25%,9.375%和12.5%)WSe₂表面的多硫化物吸附能力、锂离子迁移能力和多硫化物转化能力,探究了缺陷改性硒化钨在锂硫电池中的应用潜力.结果表明,6.25%中等空位缺陷浓度的WSe₂表面具有适中的多硫化物吸附能力、快速的锂离子迁移和对于充电放电过程的同步促进作用,是最优势的表面;3.125%的低空位缺陷WSe₂表面对于多硫化物吸附、锂离子迁移和充放电过程均不利;9.375%和12.5%的高空位缺陷WSe₂表面虽然有利于锂离子迁移,但是对于短链多硫化物的吸附能力过强,同时不利于放电过程.     

锂硫电池先进功能隔膜的研究进展

随着电子设备和电动汽车对储能设备性能要求的不断提高,锂硫电池因其多电子转化化学赋予的高能量密度受到广泛关注.当前锂硫电池的实用化受到库伦效率低、正极容量快速衰减、负极循环性能差等问题的制约.针对锂硫电池上述瓶颈,设计多功能电解质系统有望大幅提升活性材料的利用效率及循环寿命.本文综述了近年来锂硫电池中多功能隔膜系统的研究进展,具体包括面向抑制副反应的选择性透过隔膜、面向正极的低界面电阻隔膜以及面向稳定负极界面的隔膜.并展望了锂硫电池多功能隔膜系统面临的科学挑战与未来发展的机遇.