单原子催化剂在锂硫电池中的研究进展

锂硫电池由于具有能量密度高、 成本低等突出特点, 已经成为下一代高能量密度电化学储能体系的重要发展方向之一. 但锂硫电池的发展仍然存在硫利用率低、 循环寿命短及倍率性能差等亟待解决的关键问题. 单原子催化剂具有高的原子利用率和原子级尺度的结构可调变性等突出特点, 在锂硫电池研究领域受到了广泛的关注. 本文从正极、 负极、 隔膜/中间层3个方面总结了单原子催化剂在锂硫电池中的最新研究进展. 最后, 还对单原子催化剂在锂硫电池中未来的研究发展方向以及需解决的关键科学和技术问题进行了展望, 以期推动单原子催化材料在锂硫电池中的进一步广泛应用.     

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。     

高能量密度锂二次电池电极材料研究进展

锂离子电池是目前广泛应用的高能量密度小型二次电池,但随着其应用领域突飞猛进的发展,迫切需要进一步提高其能量密度.本文介绍了近年来高能量密度锂离子电池正、负极材料及新型高能量密度锂二次电池体系方面的研究进展;结合本实验室的研究工作,着重介绍了高容量正、负极材料的选择、微纳结构设计、表面包覆和合成策略;讨论了锂硫电池、锂空气电池等高比能金属锂二次电池的未来发展方向.     

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.     

高容量硫/碳复合正极材料

以锂为负极、硫为正极的锂/硫二次电池,由于其较高的理论能量密度(2 600Wh/kg),而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系.但是,硫正极材料存在的活性物质利用率偏低和循环性能较差等缺点制约了锂/硫电池的快速发展.本文主要综述了基于多孔碳材料负载硫来构筑硫/碳复合材料,进而改善硫电极材料电化学性能的研究进展,多孔碳...     

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。     

贫电解液下电催化剂对调控锂硫电池性能的研究进展

锂硫电池具有高理论能量密度(2600 Wh/kg)和高理论比容量(1675 mA·h/g),被视为最有可能替代锂离子电池实现商业应用的电化学储能系统之一。然而,锂硫电池所固有的缓慢氧化还原动力学和多硫化物的“穿梭效应”等问题严重影响了锂硫电池的循环性能以及循环寿命。目前,大部分综述主要集中于过量电解液下锂硫电池硫主体材料的设计制备方面,对贫电解液下锂硫电池性能的研究关注较少。基于此,本文介绍了贫电解液下不同电催化剂对锂硫电池氧化还原反应动力学和电化学性能的调控,主要分为非金属催化剂和金属催化剂两类,其中非金属催化剂包括非金属化合物、石墨烯、碳纳米管以及杂原子掺杂碳材料;金属催化剂包括钴基催化剂、钼基催化剂、铁基催化剂以及多金属基异质结构。最后,对推动锂硫电池实现商业应用需要进一步开展的研究提出了思考并进行了展望。     

高比能锂硫电池正极材料

锂硫电池被认为是最有发展潜力的新型多电子反应的二次电池体系之一.单质硫与锂反应的理论比容量为1675 mA h g?1,质量比能量达2600 W h kg?1,远远高于现行的传统锂离子二次电池材料.同时硫又具有来源丰富、环境友好等优点.然而,仍然有许多问题制约了锂硫电池的发展与广泛应用.本文综述了近年来锂硫电池正极材料的研究进展.     

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.     

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.     

固态锂硫电池综述:从硫正极转化机制到电池的工程化设计（英文）

锂硫电池具有超高的理论能量密度(2567 Wh·kg^-1),且其实际能量密度最高可达600 Wh·kg^-1。然而,液态体系的Li-S电池和传统锂电池一样存在着安全隐患。用固态电解质取代电解液有望提高锂电池的安全性能,在近二十年受到了广泛的研究。对于固态锂硫电池来说,除了由于正极材料本身的不同带来的转化机制上的差别,固态电解质的物理化学性质也会显著影响其电化学行为。这篇综述分类讨论了已报道的不同固态锂硫电池体系在性能上的优缺点及其中主要的失效机制,对其能量密度低、循环稳定性差的原因及改善电池综合性能的策略进行了归纳分析,旨在从固态锂硫电池微观机制到全电池水平的工程化设计提供全面的理解,推动固态锂硫电池的进一步发展。     

锂硫二次电池正极研究进展

综述了锂硫电池中硫基正极材料的制备方法、结构特征以及电化学性能. 简述了单质硫正极材料, 重点探讨了有机硫化物、碳/硫复合材料、聚合物/硫复合材料的结构设计、材料制备、反应机理以及充放电特性, 并对其中存在的问题进行了分析, 还介绍了硫化锂正极材料. 最后对硫基正极的进一步发展, 以及锂硫电池的商业化应用进行了展望.     

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.     

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。     

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。     

锂离子电池高容量合金基含锂负极材料的研究进展

现有的以石墨为负极的锂离子电池能量密度逐渐接近其理论极限. 基于合金化反应机制的高容量含锂负极材料Li_xM_y(M为能够和锂发生合金化反应的元素)是一类新兴的负极材料, 具有数倍于石墨的储锂比容量, 且可以为电池提供活性锂源. 这些特性使其能够与高容量无锂正极材料(如S, O₂, FeF₃和V₂O₅等)相匹配, 构建下一代高比能锂离子电池新体系. 本文综述了近年来高容量合金基含锂负极材料(如Li_xSi, Li_xSn, Li₃P和Li_xAl基系列材料)的研究进展, 分析了所面临的挑战, 概述了材料的合成与电极的制备方法, 并介绍了它们在常规锂离子电池、 锂离子-硫电池及锂离子-空气电池等多个全电池体系中的应用实例, 提出并举证了其电化学性能优化与调控的策略, 最后展望了未来的研究方向.     

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。     

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.