石墨烯作为硫载体在锂硫电池中的研究进展

锂硫电池因其超高的理论能量密度以及硫资源丰富、成本低廉、无毒的优点,被认为是极具发展潜力与应用前景的新一代储能设备。然而,硫正极导电性差、体积膨胀以及穿梭效应严重等问题严重制约了其商业化应用。石墨烯具有高比表面积、高导电性和高柔韧性,并且易于进行表面化学修饰及组装,是一种理想的硫载体材料。本文主要综述了近年来三维石墨烯、表面化学修饰的石墨烯、石墨烯基复合材料以及石墨烯基柔性材料在锂硫电池正极中的研究现状,并展望了石墨烯作为硫载体在锂硫电池正极中的发展趋势。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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%。     

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.     

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...     

Graphene-Based Nanomaterials as the Cathode for Lithium-Sulfur Batteries

The global energy crisis and environmental problems are becoming increasingly serious. It is now urgent to vigorously develop an efficient energy storage system. Lithium-sulfur batteries (LSBs) are considered to be one of the most promising candidates for next-generation energy storage systems due to their high energy density. Sulfur is abundant on Earth, low-cost, and environmentally friendly, which is consistent with the characteristics of new clean energy. Although LSBs possess numerous advantages, they still suffer from numerous problems such as the dissolution and diffusion of sulfur intermediate products during the discharge process, the expansion of the electrode volume, and so on, which severely limit their further development. Graphene is a two-dimensional crystal material with a single atomic layer thickness and honeycomb bonding structure formed by sp² hybridization of carbon atoms. Since its discovery in 2004, graphene has attracted worldwide attention due to its excellent physical and chemical properties. Herein, this review summarizes the latest developments in graphene frameworks, heteroatom-modified graphene, and graphene composite frameworks in sulfur cathodes. Moreover, the challenges and future development of graphene-based sulfur cathodes are also discussed.     

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。     

基于氧化石墨烯的锂硫电池用聚乙烯隔膜的改性

通过简单刮涂法制备了氧化石墨烯(GO)涂覆改性的聚乙烯(PE)隔膜,并分析研究了GO的氧化程度对隔膜电学性能的影响。采用X射线光电子能谱分析(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电实验、多硫化物透过性测试和交流阻抗等方法对GO及其改性隔膜的结构和性能进行了研究。结果表明:GO改性隔膜可以抑制锂硫电池的"穿梭效应";并且既具有较高的氧化程度,又具有较高的导电性的GO-4改性隔膜的电学性能最优;引入该隔膜的锂硫电池在0.2C条件下,首圈放电比容量为900.0mA·h/g,高于未改性PE隔膜的763.2mA·h/g。     

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...     

LiFeSO4F/石墨烯复合材料的制备与电化学性能

分别以FeSO4.H2O、FeSO4.4H2O和FeSO4.7H2O为原料与LiF在四甘醇介质中反应制得LiFeSO4F,用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征LiFeSO4F的结构和形貌.热重分析表明LiFeSO4F在400℃开始分解.XRD结果表明,以FeSO4.4H2O和FeSO4.7H2O为原料,多个结晶水的存在可以延缓原料的脱水过程,有利于消除产物中FeSO4杂相的生成.利用循环伏安(CV)、电化学交流阻抗(EIS)和充放电实验测试材料的电化学性能,发现加入石墨烯后可以促进LiFeSO4F的电化学活性,提高材料的比容量、倍率性能和循环性能.     

石墨烯包覆碳纳米管-硫(CNT-S)复合材料及锂硫电池性能

针对锂硫电池研究与实际应用中遇到的主要问题,本文通过一种简单有效的水热法还原氧化石墨烯对商用碳纳米管-硫(CNT-S)纳米复合材料进行包覆,形成一种可有效抑制多硫聚合物扩散的石墨烯包覆结构。X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)表征结果表明硫均匀地负载在碳纳米管上,并且在CNT-S复合材料外表面包覆有一层石墨烯。电化学测试结果表明,这种包覆结构能显著提高CNT-S复合材料的锂硫电池性能。     

石墨烯包覆碳纳米管-硫(CNT-S)复合材料及锂硫电池性能

针对锂硫电池研究与实际应用中遇到的主要问题, 本文通过一种简单有效的水热法还原氧化石墨烯对商用碳纳米管-硫(CNT-S)纳米复合材料进行包覆, 形成一种可有效抑制多硫聚合物扩散的石墨烯包覆结构。X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM)表征结果表明硫均匀地负载在碳纳米管上, 并且在CNT-S复合材料外表面包覆有一层石墨烯。电化学测试结果表明, 这种包覆结构能显著提高CNT-S复合材料的锂硫电池性能。