膨润土/硫复合材料在锂硫电池中的应用

以膨润土作为单质硫的载体,热处理得到含硫50%(质量分数)的膨润土/硫复合材料,采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和比表面分析仪对复合材料进行结构、形貌和孔径分析,通过充放电性能测试和交流阻抗对锂硫电池进行电化学性能分析。电化学测试结果表明,在1.0~3.0V电压范围内,以0.2、0.5C大小的电流密度对电池进行充放电性能测试,首次放电比容量分别为795.6和586.0mAh/g,100次循环后对应的放电比容量分别为488.5和421.5mAh/g,容量保持率分别为61.3%和71.8%。     

氧化炭黑/Ni_3S_2-S正极材料在Li-S电池中的应用研究

制备了氧化炭黑与Ni_3S_2复合材料作为导电客体的硫正极材料,并研究了基于此硫正极的锂硫电池的电化学性能。研究结果证明,Ni_3S_2作为共同导电客体材料可以使锂硫电池具有更好的倍率性能和循环稳定性。在1C的充放电倍率下,锂硫电池在300次循环后可逆容量为595mAh/g;其中,首次放电比容量达到1163mAh/g。     

无粘结剂三维石墨烯-硫正极的电化学性能研究

为提高电极中硫的负载量,采用水热法和热处理法制备了锂硫电池用无粘结剂三维石墨烯-硫正极材料,用比表面积测试仪、电子扫描电镜、电化学工作站以及电池测试系统对电极的比表面积、微观表面形貌和电化学性能进行了表征.结果表明:所制备的无粘结剂三维石墨烯-硫电极的最高放电比容量为517.3 mAh/g,50次循环后,放电比容量仍能保持在448.9 mAh/g,表现出较高的比容量和良好的循环性能.     

石墨烯应用于锂硫电池的研究进展

锂硫电池具有很高的理论放电比容量(1 675 mAh/g)和能量密度(2 600 Wh/kg),被认为是最具前景的新型电池之一。石墨烯具有优良的导电性和电化学性能,具有开阔的负载硫的表面和空间,是导电性差的硫黄和硫化锂的良好载体,为锂硫电池正极材料提供了新的研发平台。本文介绍了近年来石墨烯及其复合材料应用于锂硫电池中的研究进展,包括石墨烯或氧化石墨烯负载硫、杂原子掺杂石墨烯负载硫、石墨烯三维网格负载硫和石墨烯-多孔炭复合炭材料负载硫等4种石墨烯基-硫正极材料,概述了其锂硫电池的比容量、倍率性能和循环寿命等性能指标。从石墨烯基锂硫电池正极材料的设计和合成的角度,总结了不同微结构特征的石墨烯及其复合材料组装成锂硫电池的性能特点,并分析了材料组成和微结构对电池性能的影响机制。在总结的基础上展望了石墨烯应用于锂硫电池的发展方向。     

磷酸铁锂/石墨烯复合材料的合成及电化学性能

采用研磨、超声分散与搅拌干燥的工艺方法制备磷酸铁锂/石墨烯复合材料。利用TEM,SEM,XRD和Raman对材料组织结构进行表征,并组装成扣式电池进行电化学性能测试。SEM图像表明,在该工艺所制备的磷酸铁锂/石墨烯复合材料中,石墨烯贴附在磷酸铁锂颗粒表面,并且均匀地分散在复合材料中形成良好的导电网络。电化学测试结果显示,添加2%(质量分数)石墨烯后,磷酸铁锂的倍率性能和循环性能都得到明显提高。具体表现为:倍率性能方面,在5C充放电条件下,放电比容量提高到94.2mAh·g~(-1),是添加前的2.53倍;循环性能方面,100次循环(1C充放电)后容量衰减由添加前的43.5%下降到添加后的9.6%。这种简便的工艺能够实现石墨烯在电极材料中的均匀分散,充分发挥石墨烯优异的导电性,进而提升磷酸铁锂正极材料电化学性能。     

聚苯胺/硫复合材料作锂二次电池正极的研究

采用在化学氧化聚合苯胺的反应介质中分散单质硫的方法制备了聚苯胺/硫复合材料,借助扫描电镜对样品的微观形貌进行表征,表明苯胺的聚合倾向于在单质硫颗粒表面进行,形成聚苯胺包覆良好的硫复合材料.通过恒电流充放电、循环伏安、电化学交流阻抗等电化学测试研究了聚苯胺原位包覆对硫电极电化学性能的影响.结果得出,聚苯胺对硫的包覆能显著地改善硫电极的电化学性能,当充放电电流密度为0.2 mA/cm2时,初始放电比容量高达1134.01 mAh/g,循环30次后放电比容量仍可达526.89 mAh/g.电化学交流阻抗谱研究表明,聚苯胺的包覆有助于锂硫电池交流阻抗的降低.     

羟基化多壁碳纳米管掺杂抑制锂硫电池的穿梭效应

为了抑制锂硫电池的“穿梭效应”,改善锂硫电池的电化学性能。正极片掺杂羟基化多壁碳纳米管（MWCNTs—OH）,利用亲水性羟基官能团对多硫化物的吸附作用,阻止多硫化物的扩散,增加有效物质的利用率,抑制穿梭效应的产生,提高锂硫电池的容量和循环性能。利用TEM、SEM和EDS等进行结构和性能表征。电化学测试结果表明,掺杂MWCNTs—OH的锂硫电池,放电容量明显提高。在0.1 C倍率,首次放电比容量达到1 281 mAh/g,首次库伦效率接近96.7%,循环10次后比容量还保持在882 mAh/g。在0.2 C、0.5 C和1 C倍率下充放电时,电池首次放电比容量分别达到794.2 mAh/g、712.2 mAh/g和557.3 mAh/g,显示出极佳的倍率性。      

基体碳材料对锂硫电池性能影响的研究

采用乙炔黑、土状石墨、Cabot Vulcan XC-72炭黑、Cabot Bp2000超级导电炭黑作为硫载体制备了一系列含硫复合材料。通过X射线粉末晶体衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析(BET)等分析测试手段对材料的物理性能进行表征,利用电池测试系统对材料的电化学性能进行了测试。结果表明基体材料表面结构、孔径分布及比表面积等因素都对复合材料的电化学性能造成影响,综合性能最好的基体材料为BP2000超级导电炭黑,其初始放电比容量高达1385.1mAh/g,在室温下经过30次循环之后电池放电比容量仍保持在1080.2mAh/g,容量保持率高达78%。     

不同粘结剂对锂-硫电池电化学性能的影响

采用球磨混合及热复合法制备硫/BP2000复合正极材料(含硫量42%(质量分数)),分别以PTFE、明胶和PEO作为粘结剂,考察了不同粘结剂对锂-硫电池电化学性能的影响。采用热重分析(TGA)、X射线衍射(XRD)、循环伏安法(CV)和恒流充放电表征其物化性能和电化学性能。结果表明,明胶和PTFE对于提高硫正极的电化学性能和维持硫正极的循环稳定性具有积极意义。其中,在0.2 C充放电时,PTFE作粘结剂的电池循环50次后比容量保持741.2 mAh/g,明胶作粘结剂的电池循环50次后放电比容量保持788 mAh/g(按单质硫的质量计算)。     

多壁碳纳米管纸作正极集流体的锂硫电池性能

为了改善锂硫电池的循环性能,以纸纤维为基体,多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电剂,采用真空抽滤法制得MWCNTs导电纸,并将MWCNTs导电纸作为正极集流体代替铝箔应用于锂硫电池。对MWCNTs导电纸进行了形貌结构表征和电化学性能测试,并对循环后的MWCNTs导电纸电极进行EDS检测。结果显示,MWCNTs均匀地附着在纸纤维基体上,多空隙的MWCNTs导电纸三维结构明显。采用MWCNTs导电纸作集流体的锂硫电池在0.05C和1C倍率充放电下循环30次,比容量分别保持615mAh/g、496mAh/g,库伦效率达97.5%以上,且电荷转移电阻在循环后降低。EDS元素分析结果证实MWCNTs导电纸对多硫化锂有吸附作用,从而一定程度抑制了锂硫电池的穿梭效应。因此,以MWCNTs导电纸作为集流体能有效增加活性物质硫的负载量和接触面积,使锂硫电池具有良好的循环稳定性和库伦效率性能。     

逐步炭化法制备锂-硫电池正极碳/硫复合材料的研究

提出一种逐步炭化法,以稀硫酸、蔗糖和单质硫为原料,制备碳/硫复合正极材料。扫描电镜、透射电镜结果显示:复合材料为粒度分布均匀的核壳结构球体,直径约为3μm;单质硫均匀填充在球体内部。此种结构有利于提高其电化学性能。在0.1C倍率下碳/硫复合正极材料首次放电比容量为1065mAh/g,60次循环之后,放电比容量趋于稳定,150次循环后的比容量仍可达到510mAh/g,库仑效率始终保持在90%以上。表明逐步炭化法可以制备适宜的锂硫电池正极材料。     

CuO对锂硫电池的性能影响

采用液相浸渍法制备了氧化铜(CuO)包覆的碳/硫(C/S)复合材料,对包覆材料的性能进行了分析。通过包覆可降低C/S复合材料与电解液的直接接触,减少电解液对正极材料的侵蚀,提高C/S复合材料的循环性能。包覆CuO后的锂硫电池充放电循环20次,容量保持率从75%提高到93.04%。     

石墨烯/富锂三元正极复合材料的制备及电化学性能研究

通过水热法制备了石墨烯包覆量不同的石墨烯/富锂三元正极复合材料。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和电化学交流阻抗等对包覆后富锂三元正极复合材料的物相结构、形貌及电化学性能进行了研究。结果表明:石墨烯包覆量为2%(质量分数)时,包覆效果较好,石墨烯/富锂三元正极复合材料首次库仑效率为89.6%,比富锂三元正极材料提高了17.16%,放电比容量为226.41mAh/g,比原材料提高了21.38mAh/g;以0.5C循环100次后石墨烯/富锂三元正极复合材料放电比容量可保持在154mAh/g,容量保持率为88%,比富锂三元正极材料提高了5.3%;石墨烯/富锂三元正极复合材料阻抗为75Ω,比富锂三元正极材料阻抗低50Ω。     

石墨烯负载金属钌用于锂-空气电池的正极材料

通过溶液法制备钌/石墨烯(Ru/G)复合材料,用作锂-空气电池的正极材料。通过充放电测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)研究了锂-空气电池的电化学性能。结果表明:Ru/G复合材料作为锂-空气电池的正极材料,明显提高了氧化还原反应的催化活性,改善了电化学反应性能。在电流密度为500mA·g-1时,首次充放电比容量分别为13136mAh·g-1和13578mAh·g-1,充放电的过电位降低了约0.35V。当固定充放电比容量为1000mAh·g-1,采用恒流充放电模式,可稳定循环30次。     

三维结构石墨烯与硫的复合正极材料研究

在蔗糖辅助下以一步水热法制备了具有三维网络结构的石墨烯材料,以其作为与硫复合的载体实现了硫在石墨烯中的均匀分布,将此复合材料(3DGNS/S)应用于锂硫电池中表现出了优异的电化学性能:该材料在285mA/g下,首次放电比容量为1396mAh/g。2142mA/g下,首次放电比容量为713mAh/g,循环100周后,仍具有681mAh/g的放电比容量,平均每周的容量衰减率为0.04%,表现出优秀的循环性能。     

La0.65Sr0.35MnO3@LiMn2O4正极材料在聚合物锂电池中的应用

通过以乙酸镧、乙酸锶和乙酸锰制备的锰酸锶镧(La_(0.65)Sr_(0.35)MnO_3)和尖晶石型锰酸锂(LiMn_2O_4)正极材料作为原料,采用溶胶-凝胶法制备了质量分数分别为0.5%、1.0%和2.0%的锰酸锶镧表面包覆的LiMn_2O_4正极材料。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、充放电循环测试等对包覆材料的结构、形貌和电化学性能进行表征,研究不同包覆比例对材料的微观结构、形貌及在502030型电池中电的化学性能。通过XRD和SEM分析可知,包覆锰酸锶镧对锰酸锂的结构并没有改变,当包覆比例为1.0%时,包覆材料分布均匀。对材料进行电化学性能测试发现,纯相LiMn_2O_4首次放电比容量为94.5mAh/g,循环500周后容量保持率为57.78%;包覆比例为1.0%的LiMn_2O_4首次放电比容量为106.2mAh/g,循环500周后容量保持率为64.22%,首次放电比容量增加了12.4%,容量保持率提高了6.44%。结果表明,经过包覆后材料的电化学性能得到了明显提高。     

聚吡咯/磷酸铁锂复合正极材料的制备与表征

采用化学氧化法, 以吡咯为单体、 三氯化铁为氧化剂、 苯磺酸钠为掺杂剂在磷酸铁锂颗粒表面进行原位聚合, 制备了聚吡咯/磷酸铁锂(PPy/LiFePO₄)复合材料。用FTIR、 XRD和SEM对PPy/LiFePO₄复合材料进行了结构与形貌表征。用电化学工作站和充放电测试系统对复合材料的电化学性能进行了表征。结果表明: PPy/LiFePO₄复合材料作锂二次电池正极具有良好的充放电循环性能。当PPy质量分数为17%, 充放电电流为0.1 mA时, PPy/LiFePO₄复合材料最高放电比容量达163 mAh·g^-1, 50次循环之后放电比容量仍为初始时的94.9%; 与LiFePO₄相比, 当PPy的含量适当时, PPy/LiFePO₄复合正极材料的放电比容量会有明显提高。PPy的加入提高了LiFePO₄的电子电导率, 从而提高了活性物质有效利用率, 因此PPy/LiFePO₄复合材料的比容量和循环性能均得到了提升。     

ZIF-67衍生Co-NC多孔碳材料的可控制备及其在锂-硫二次电池中的应用研究

以ZIF-67为模板制备了一系列具有不同金属Co负载量的S/Co-NC复合材料, 并将其应用于锂-硫电池正极中进行电化学性能研究。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对Co-NC材料的多面体形貌及多孔结构进行表征; 采用X射线衍射(XRD)分析了Co-NC中金属Co的结晶状态; 采用氮气吸脱附方法分析了Co-NC材料的比表面积及孔结构。研究表明, 当刻蚀时间为48 h, 即Co含量为15.93wt%时, 复合硫正极呈现出最佳的循环性能以及倍率性能, 在0.2C电流密度下从第50圈到200圈循环的容量保持率为94.84%, 5.0C高倍率下的放电比容量为718.8 mAh?g ^-1。     

二硫苏糖醇/多壁碳纳米管阻隔层抑制锂硫电池的穿梭效应

二硫苏糖醇(DTT)作为剪切剂,对高阶多硫化物进行剪切阻止其溶解,抑制穿梭效应的产生。以二硫苏糖醇(DTT)和多壁碳纳米管(MWCNTs)复合薄膜作为锂硫电池正极片与隔膜之间的阻隔层,抑制多硫化物的溶解和扩散,阻止穿梭效应,减小活性物质的损失,提高锂硫电池的容量和循环性能。利用透射电子显微镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等进行结构和性能的表征。电化学测试结果表明,含DTT/MWCNTs阻隔层的锂硫电池在0.2 C倍率首次放电比容量达到1 674 mAh/g,活性物质的利用率达到99.9%。在1 C充放电300次循环后,容量依然保持在780 mAh/g,是首次放电容量1 094 mAh/g的71.3%,且库伦效率保持在95.3%以上。在5 C和10 C倍率下充放电,电池比容量分别达到597和214 mAh/g。     

功能互补炭材料及其在锂硫电池中电化学性能

由于锂硫电池成本低、理论能量密度高、安全、环保,使其极具潜力成为下一代新能源储能体系。但循环过程中电极材料结构产生破坏及多硫穿梭效应是锂硫电池容量衰减的主要原因。为此,本文提出了采用功能互补的炭材料-氮掺杂石墨烯包覆CMK-3材料(N-(CMK-3@G))来解决该问题。该材料基于功能互补原理,利用CMK-3防止石墨烯堆叠及二维石墨烯包覆在CMK-3外面抑制多硫穿梭,并采用氮掺杂的化学吸附提高锂硫电池正极的电化学性能。以N-(CMK-3@G)/S复合材料作为锂硫电池正极,在电流密度为335 mA·g~(-1)时,300次循环后其可逆放电容量为867.3 m Ah·g~(-1),容量保持率为82%。与N-CM K-3/S和N-G/S正极相比,N-(CM K-3@G)/S复合电极倍率性能及极化特性都得到了较大的改善。从炭材料功能出发,对材料设计,不仅可结合CMK-3及石墨烯的功能特点,形成作用互补,提高锂硫电池的循环性能,且氮掺杂可通过化学作用强化对多硫吸附,抑制多硫离子的穿梭,进一步提高锂硫电池性能。