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.     

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.     

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.     

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。     

锂硫电池中的催化作用:材料与表征

锂硫电池是高能量密度储能体系的重要发展方向, 但其本征的“固-液-固”转化过程缓慢, 穿梭效应的存在使其循环寿命和能量密度远低于理论值. 如何加速硫的可逆反应成为实现锂硫电池变革性突破的关键. 近年来, 催化过程在锂硫电池研究中崭露头角, 高效催化剂的引入能够降低硫转化的势垒, 加速“固-液-固”转化进程, 提高硫的利用率, 从“准源头”上降低穿梭效应发生的概率, 减少电解液需求量, 提升锂硫电池整体性能. 本文综合评述了锂硫电池中高效催化材料的研究进展, 提出原位表征技术对催化机理研究的重要性和紧迫性, 并对锂硫电池未来的技术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。     

锂硫电池隔膜功能化设计

锂硫电池具有较高的理论比容量(以硫计1675 mAh·g^-1和2600 Wh·kg^-1),以及低成本和绿色环保等优势,成为最有前景的下一代可充电储能器件之一。然而,锂硫电池内部严重的多硫化锂穿梭现象导致了电池容量的下降和使用寿命的快速降低。为实现锂硫电池的商业化,其严重的“穿梭效应”亟需改善。普通的商业隔膜有很大的孔径(500 nm),且不具有阻碍多硫化锂迁移的功能。因此,对隔膜进行表面修饰,引入功能化修饰层就成为了一种很有效的策略。本文综述了近年来隔膜表面修饰所遵循的方法以及在此基础上开发的新型隔膜,并对功能化的隔膜在提升锂硫电池性能上的前景进行了展望。     

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。     

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。     

高性能锂硫电池研究进展

锂硫电池具有理论比容量高(1675 m Ah·g~(-1))、能量密度高(2600 Wh·kg~(-1))、环境友好、价格低廉等性质,是一种高性能的新型储能电池。这些性能使其在电动汽车和便携式设备领域具有重要意义。然而,快速的容量衰减以及较差的循环性能,使锂硫电池还达不到商业应用的要求。本文全面总结了锂硫电池的最新研究进展,详细阐述了锂硫电池的正极、电解质、隔膜以及负极保护,分析了现有锂硫电池存在的缺陷和问题。最后,对锂硫电池未来的发展方向进行了展望。     

Towards High-performance Lithium-Sulfur Batteries: the Modification of Polypropylene Separator by 3D Porous Carbon Structure Embedded with Fe3C/Fe Nanoparticles

Lithium-sulfur(Li-S) batteries with high energy densities have received increasing attention. However, the electrochemical performance of Li-S batteries is still far from the satisfactory of the practical application, which can be mainly attributed to the shuttling of polysulfides and the slow reaction kinetics of polysulfide conversion. To address this issue, a 3D porous carbon structure constructed by 2D N-doped graphene and 1D carbon nanotubes with embedded Fe₃C/Fe nanoparticles(NG@Fe₃C/Fe) was designed and prepared by a simple programmed calcination method for the modification of polypropylene(PP) separator. The Fe₃C/Fe nanoparticles demonstrate an excellent catalytic conversion and strong chemisorption towards polysulfides, while the unique architecture of N-doped graphene promotes the Li⁺/electron transfer and the physical adsorption of polysulfides. The electrochemical performance of the Li-S batteries with the NG@Fe₃C/Fe-modified separator is significantly improved. A large discharge capacity of 1481 mA∙h∙g^-1 is achieved at 0.2 C(1 C=1675 mA/g), and a high capacity of 601 mA∙h∙g^-1 is maintained after discharged/charged for 500 cycles at a current rate of 1 C. This work provides a new approach for the development of high-performance Li-S batteries through the modification of the PP separator by rationally designed composites with large adsorption capability to polysulfides, good wettability to the electrolyte and high catalytic property.     

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.     

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。     

锂硒电池正极材料的研究进展

锂硒电池因其高体积比容量(3253 mAh·cm~(-3)),以及硒的高电导率(1×10~(-3) S·m~(-1))等显著优点,在体积受限的储能系统中具有潜在的应用价值。引起了国内外研究学者的广泛关注。但是,目前锂硒电池的性能还不理想,仍然存在许多科学问题亟待解决,包括多硒化锂的穿梭效应,电解液的适配性,充放电过程中电极体积变化等。近年来,研究工作者针对这些关键科学问题开展了许多研究和探索,锂硒电池已成为储能领域的一个新的研究热点。本文综述了锂硒电池的研究现状,着重介绍了硒-碳复合正极材料的研究进展,论述了锂硒电池的优势及存在的问题,系统分析了硒基正极材料结构和性能之间的关系,总结了锂硒电池的反应机理及其与电解液的相关性,最后展望了锂硒电池的未来发展方向。     

Recent Progress in Framework Materials for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries

Lithium-Sulfur batteries (LSBs) have been considered as a promising candidate for the next generation of energy storage systems due to their high theoretical capacity. However, there are still lots of pending scientific and technological issues to be solved. Framework materials show great potential to address the above-mentioned issues due to the highly ordered distribution of pore sizes, effective catalytic activity, and periodically arranged aperture. In addition, good tunability gives framework materials unlimited possibilities to achieve satisfying performance for LSBs. In this review, the recent advances in pristine framework materials, their derivatives, and composites have been summarized. And a short conclusion and outlook regard to future prospects for guiding the development of framework materials and LSBs.     

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。     

Recent Advances of Freestanding Cathodes for Li-S Batteries

Lithium-sulfur batteries (LSBs) with high energy density and low cost have been recognized as one of the most promising next-generation energy storage systems. Although it has taken decades of development, the practical application of LSBs has been hindered by several inherent obstacles, particularly the severe shuttle effect and sluggish reaction kinetics in the sulfur cathode. Various strategies have been proposed to address these problems via rational design of electrode materials and configurations. Freestanding sulfur cathode could be a promising strategy to improve the sulfur mass loading at the cathode level and energy density of LSBs. This minireview will briefly summary the recent advances in freestanding cathodes for LSBs. The advantages and disadvantages of various freestanding cathodes are discussed and the prospects for the development of flexible cathodes are envisioned.