硫与Mn2O3空心球的复合结构及其在锂硫电池中的应用

在水热条件下,以碳球为模板合成了Mn₂O₃空心球,并用作锂硫电池的载硫基底材料。测试结果表明载硫量为51%的Mn₂O₃-S复合材料显示了较高的比容量,良好的循环稳定性和倍率性能。循环100圈后,最终可逆容量仍保持657 mA·g^-1,证明该Mn₂O₃空心球是一种有潜力的载硫基底材料。     

硫与Mn2O3空心球的复合结构及其在锂硫电池中的应用

在水热条件下,以碳球为模板合成了Mn₂O₃空心球,并用作锂硫电池的载硫基底材料。测试结果表明载硫量为51%的Mn₂O₃-S复合材料显示了较高的比容量,良好的循环稳定性和倍率性能。循环100圈后,最终可逆容量仍保持657 mA·g^-1,证明该Mn₂O₃空心球是一种有潜力的载硫基底材料。     

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。     

化学改性碳在锂硫电池中的研究进展

自从我们课题组在2011年首次报道化学改性碳用于锂硫电池以来,其在锂硫电池中的应用便引起了人们的广泛关注。与传统碳质材料相比,化学改性碳在抑制多硫离子的溶解和扩散,实现锂硫电池长循环寿命方面展现出了其独特的优势和前景,已成为当前锂硫电池领域研究的热点和前沿。本综述主要报道了本课题组在化学改性碳高效利用硫材料以及其与多硫离子的化学和物理吸附协同作用高效固硫方面所取得的研究进展,系统介绍了不同化学改性碳的结构特点、优势及在锂硫电池中的应用,展望了化学改性碳在锂硫电池中的应用前景。     

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.     

V2O3空心球的制备及在锂硫电池中的应用

在NH₃辅助下将制备的V₂O₅空心球高温还原为V₂O₃空心球, 并利用透射电子显微镜、 扫描电子显微镜、 X射线衍射和X射线光电子能谱等手段对材料的形貌与结构进行表征. 将V₂O₃空心球与硫机械混合后, 不经过熔融复合直接作为锂硫电池的正极材料. 电化学测试结果显示, 在0.2C倍率下, 电池首次放电比容量达到1375 mA·h/g, 循环100次后放电比容量可以维持在815 mA·h/g; 在1C高倍率下, 电池首次放电比容量为710 mA·h/g, 经过500次循环后, 放电比容量仍能达到530 mA·h/g, 表明V₂O₃空心球的加入能够有效提高锂硫电池的循环性能.     

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...     

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。     

硫与Mn_2O_3空心球的复合结构及其在锂硫电池中的应用（英文）

在水热条件下,以碳球为模板合成了Mn_2O_3空心球,并用作锂硫电池的载硫基底材料。测试结果表明载硫量为51%的Mn_2O_3-S复合材料显示了较高的比容量,良好的循环稳定性和倍率性能。循环100圈后,最终可逆容量仍保持657 m A·g~(-1),证明该Mn_2O_3空心球是一种有潜力的载硫基底材料。     

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。     

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。     

中空碳双面修饰的隔膜在高性能锂硫电池中的应用

为减少多硫化锂(LIPs)“穿梭效应”及锂枝晶对锂硫电池的影响,采用刮涂法制备中空碳材料修饰隔膜。接触角测试表明修饰隔膜对LIPs具有更强的吸引力,其对LIPs“穿梭”的有效抑制也可以通过渗透性实验进一步得到印证。在隔膜的正极对称电池测试中,电流响应显示中空碳材料的催化使LIPs快速转化为Li₂S。通过隔膜的负极对称电池测试发现修饰隔膜呈现出更稳定的电压-时间曲线。为证明隔膜修饰对锂硫电池性能改进的效果,分别采用聚丙烯(PP)隔膜、单面改性和双面改性的PP隔膜组装成纽扣电池并进行电化学测试,其中电极材料的硫负载量为1.8~2.0 mg·cm^-2。GITT(恒电流间歇滴定法)测试和锂离子扩散系数计算表明,改性隔膜的离子传输更快且阻抗较小。通过分析第1、5、10、50及100次的充放电循环阻抗谱图发现,中空碳材料的多通道能够为锂离子的传输提供更多的通道,因此能够使锂离子具有更加稳定的扩散行为。在电流密度为0.2C时,由双面改性隔膜组装的锂硫电池在首次充放电时有1 035 mAh·g^-1的可逆比容量,700圈后仍有500 mAh·g^-1的高比容量,并在高硫负载时表现出500 mAh·g^-1的可逆比容量。双面修饰隔膜赋予了锂硫电池优异的电化学性能,这是由于中空碳材料的修饰加速了LIPs的转化和吸附,有效缓解了LIPs的穿梭效应,且对锂枝晶有很好的抑制作用,提高了锂硫电池的安全性。     

中空碳双面修饰的隔膜在高性能锂硫电池中的应用

为减少多硫化锂(LIPs) “穿梭效应” 及锂枝晶对锂硫电池的影响,采用刮涂法制备中空碳材料修饰隔膜。接触角测试表明修饰隔膜对 LIPs具有更强的吸引力, 其对 LIPs “穿梭” 的有效抑制也可以通过渗透性实验进一步得到印证。在隔膜的正极对称电池测试中, 电流响应显示中空碳材料的催化使 LIPs快速转化为Li₂S。通过隔膜的负极对称电池测试发现修饰隔膜呈现出更稳定的电压-时间曲线。为证明隔膜修饰对锂硫电池性能改进的效果, 分别采用聚丙烯(PP)隔膜、单面改性和双面改性的 PP隔膜组装成纽扣电池并进行电化学测试, 其中电极材料的硫负载量为 1.8~2.0 mg·cm^-2。GITT(恒电流间歇滴定法)测试和锂离子扩散系数计算表明, 改性隔膜的离子传输更快且阻抗较小。通过分析第 1、5、10、50及 100次的充放电循环阻抗谱图发现, 中空碳材料的多通道能够为锂离子的传输提供更多的通道, 因此能够使锂离子具有更加稳定的扩散行为。在电流密度为 0.2 C时, 由双面改性隔膜组装的锂硫电池在首次充放电时有 1 035 mAh·g^-1的可逆比容量, 700圈后仍有 500 mAh·g^-1的高比容量,并在高硫负载时表现出 500 mAh·g^-1的可逆比容量。双面修饰隔膜赋予了锂硫电池优异的电化学性能, 这是由于中空碳材料的修饰加速了 LIPs的转化和吸附, 有效缓解了 LIPs的穿梭效应, 且对锂枝晶有很好的抑制作用, 提高了锂硫电池的安全性。     

氧缺位结构介孔二氧化钛/聚乙烯复合隔膜在锂硫电池中的应用

采用两步溶液法合成了一种具有高度氧缺位的黑色介孔二氧化钛, 并将其涂覆在隔膜表面作为锂硫电池复合隔膜, 研究了其在锂硫电池中的电化学性能. 结果表明, 氧缺位的黑色介孔二氧化钛材料不仅展现出良好的导电性, 还能加强对多硫化物的物理和化学吸附能力, 从而显著提高锂硫电池的放电比容量(0.1C倍率下首次放电比容量为1257 mA·h/g)和循环性能(循环100次后放电比容量为821 mA·h/g).     

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。     

化学结合力载体在锂硫电池中的应用

在环境问题日益严峻,化石能源日益枯竭的今天,开发具有高比能的二次电池系统显得尤为重要。锂硫电池以其高理论能量密度和低环境影响的优势成为最有潜力的下一代电化学储能系统之一。然而受制于硫的绝缘性质以及由多硫化锂的溶解所引起的穿梭效应,锂硫电池的实用化进程还面临着诸多困难。为弥补常用的碳质载体对稳定硫电极的物理限制作用的不足,近年来对多硫化物具有强烈化学结合作用的载体材料的应用,显著提升了复合硫电极的综合性能,为锂硫电池正极材料的设计提供了新的思路。本文综述了各种具有化学吸附特性的载体材料在复合硫电极中的应用进展,具体包括:基于极性-极性作用固定多硫化物的金属氧化物、改性的碳质材料、能够与硫发生硫化作用的有机聚合物以及对多硫化物具有路易斯酸碱作用的金属有机骨架,重点阐述了这类载体材料与多硫化物的作用机理,并展望锂硫电池的发展方向。     

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.     

锂硫电池中的催化作用

锂硫电池理论能量密度高达2600 Wh·kg-1,单质硫的理论容量可达1675 mAh·g-1,远高于商业化的锂离子电池正极材料,但多硫化锂的"穿梭效应"等问题对其性能影响严重.目前研究主要采用基于"阻挡"的物理限制和化学吸附策略将多硫化锂限制在正极侧.而基于"疏导"的催化转化策略则通过加快氧化还原反应动力学,在抑制"...     

退役锂离子电池碳/硫协同选择性提锂技术

针对当前退役锂离子电池有价金属提取工艺选择性差、环境风险突出的瓶颈问题,提出了碳/硫协同选择性提锂的新思路.首先在系统考察(NH4)2SO4、NH4HSO4、NaHSO4和H2SO4分别作为焙烧剂对退役锂离子电池LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极粉末中锂的浸出选择性、环境友好性和经济性影响的基础上,确定H2SO...     

共轭纳米孔聚合物在锂硫电池中的应用

作为一类由共轭单元构建的多孔材料,共轭纳米孔聚合物(CNPs)具有开放的孔骨架、高的比表面积、永久的微孔-介孔、共轭结构以及可灵活设计的孔壁化学环境,有望成为一类理想的宿主材料,实现从分子和纳米尺度上固定或捕获客体。锂硫电池具有比能量高、成本低、环境友好等优势,是一种非常有前景的高比能锂二次电池;然而,硫的分步还原或氧化过程中产生的中间态多硫化物在电解液中的溶解穿梭现象,是导致电池循环稳定性差的根本原因之一。构建束缚多硫化物的宿主材料是锂硫电池性能突破的关键。CNPs由于其结构优势,有望成为性能优良的硫宿主材料。本文综述了近年来CNPs在锂硫电池中的应用,重点讨论了抑制"穿梭效应"提升电池性能的策略与方法,并对未来该领域的发展进行了展望。