锂硫电池硫正极材料研究进展

由化石燃料的大量使用导致的全球能源和环境问题日益严重,已对人们的生产和生活产生了明显的影响。开发利用储量丰富的清洁能源(如太阳能、水能和风能等)有望较好地解决全球能源和环境问题。由于这些清洁能源存在地域性、间歇性等特点,高效的能量转化和存储技术是实现清洁能源规模化利用的关键和基础。锂离子电池作为绿色环保的储能器件,已在手机、笔记本电脑、相机等便携电子产品中广泛使用。近年来,锂离子电池开始在电动汽车等动力电池领域得到应用。但是,由于其能量密度不够高,导致锂离子电池电动汽车续航短、充电频繁及购车成本高。由金属锂为负极和硫为正极组成的锂硫电池的能量密度(2 600 Wh·kg~(-1))远高于目前广泛使用的锂离子电池。此外,硫正极材料具有储量丰富、毒性低、价格便宜、环境友好等突出优点。因此,锂硫电池被认为是当前最具研究前景的高能量密度二次电池之一。硫正极材料的本征导电性差、在充放电过程中存在较大的体积膨胀和收缩,储放锂过程中形成的多硫化锂易溶于电解液,使得锂硫电池的倍率性能、循环寿命和库伦效率等电化学性能离实际应用仍有较大距离。迄今为止,关于硫正极材料的研究工作,主要集中于如何提升其导电性、抑制或消除由多硫化锂的溶解引起的穿梭效应以及在反复的循环过程中保持电极材料微结构的稳定性等方面。相关研究表明,将硫与不同形貌的碳材料复合构筑成具有特殊微观结构的硫/碳复合正极材料可显著提高其导电性、抑制多硫化锂的穿梭效应和减缓储放锂前后的体积变化,进而改善倍率性能、循环稳定性和充放电效率等。此外,在硫正极材料中引入异质元素掺杂碳材料、金属氧化物和导电集合物均可通过化学吸附实现对易溶解多硫化锂的有效吸附。将上述多种改性方法结合也可使硫正极材料具有优异的电化学储锂性能。本文从锂硫电池的工作原理出发,总结了硫正极材料存在的主要问题,综述了近几年锂硫电池复合正极材料的研究进展,最后对锂硫电池正极材料的研究思路与发展趋势进行了分析和展望。     

液相制备石墨烯/硫复合材料及其在锂硫电池正极中的应用

采用氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)作为制备石墨烯的前驱体,通过液相还原自组装过程与硫纳米颗粒进行复合,获得了高性能的还原氧化石墨烯/硫(r GO/S)复合正极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱分析(XPS)等对材料微观形貌与结构进行表征。结果表明:硫纳米颗粒均匀分布在石墨烯片层间,并且硫纳米颗粒被石墨烯片层有效地封装,硫在35-r GO/S复合物中的质量分数高达83.6%。该35-r GO/S复合正极在0.2C电流密度下初始放电容量可达1197.3mAh·g^-1,经过200次循环后容量仍保持在730mAh·g^-1左右,表现出优异的循环性能。     

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/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。     

石墨烯包覆炭硫复合物正极材料的制备及其电化学性能(英文)

利用石墨烯作为新型的阻挡层,设计并制备出具有核壳结构的石墨烯包覆多孔炭/硫复合材料,抑制锂硫电池中的"穿梭效应",以提高正极材料的循环性能。该结构利用多孔炭材料作为储存硫的载体,而石墨烯作为阻挡层可以限制充放电过程中形成的多硫化物向体相电解液中的扩散,从而实现对正极材料的容量和循环性能的提高。此外,提出一种简便的组装方法来实现石墨烯在多孔炭/硫复合材料表面的包覆。利用氧化石墨烯在液相还原过程中官能团的去除来降低亲水性,从而使其自发地包覆在不亲水的多孔炭/硫复合材料表面,形成石墨烯包覆的核壳结构。     

锂硫电池柔性正极材料研究进展

随着化石能源的日渐枯竭、能源危机和环境问题的日益突出,开发环境友好的二次电池能源体系迫在眉睫。锂硫电池作为一种新型的储能电池,其理论比容量高达1 675 mAh/g,质量密度可达2 600 Wh/kg,且原材料来源广、成本低等优点,使得其有望代替锂离子电池成为下一代理想的能源电池。近年来,可穿戴电子设备、智能纺织品的出现,对储能电池提出了更高的要求—柔性,因此开发柔性锂硫电池已经成为研究热点。作为锂硫电池的重要组成部分,柔性正极材料的研究和制备对柔性锂硫电池系统的开发至关重要。从锂硫电池柔性正极基体材料入手,对碳材料、导电聚合物材料和新兴的MOF材料等3个方面进行了分类总结,详细阐述了各自制备方法及对柔性正极性能影响。碳材料高的导电性和多孔结构设计、导电聚合物和MOF材料对多硫化物优异的化学吸附作用,均有助于抑制多硫化物的"穿梭效应",提升柔性锂硫电池的长循环电化学稳定性能。最后分析了现有锂硫电池柔性正极材料存在的缺陷与问题,对未来发展方向做出了展望。这将为开发新型的锂硫电池用柔性正极材料提供指导,同时为其它二次电池柔性正极材料开发过程中的共性问题提供实验和理论依据。     

锂硫电池硫/导电聚合物正极材料的研究进展

综述了锂硫电池硫/导电聚合物正极材料的研究进展。重点探讨了导电聚合物在硫基正极材料改性中的制备方法、结构设计,并对其中存在的问题进行了分析。最后对硫/导电聚合物正极材料的进一步发展及商业化应用进行了展望。     

锂硫电池正极材料的研究进展

能源领域未来发展趋势着重于绿色清洁能源,锂硫电池以其高比能量以及成本低廉等优点,成为电池研究中的新热点。然而,目前锂硫电池仍存在较多问题阻碍其商业化,如正极材料硫导电性能差、正极产物多硫化物的穿梭效应、在充放电过程中,电池内部电极表现出体积膨胀等。本研究综述了近年来锂硫电池正极材料的研究进展,主要讨论了金属有机骨架化合物、碳材料以及导电聚合物在锂硫电池正极材料中的应用,并对锂硫电池正极材料的发展进行了展望。     

面向锂硫电池的高负载量碳硫复合正极材料研究进展

在近20多年的发展过程中,锂离子电池已经越来越接近于其理论能量密度的极限,并且随着化石能源消耗和电动车需求量的增加,锂离子电池已经不能满足于社会的需要,寻找可替代的绿色新能源也变得愈发重要。其中,锂硫电池是最有希望代替锂离子电池,成为下一代电化学储能系统的电池之一。由于硫的无毒性、低成本和高的能量密度等优势,使得锂硫电池吸引了研究者们的广泛关注。硫作为锂硫电池中非常重要的一部分——正极材料,对于电池的循环寿命、循环稳定性、能量密度、库伦效率等方面产生了非常重要的影响。但是锂硫电池中存在的关键问题亦限制了其实际应用,例如硫的导电性差、多硫化物中间体的"穿梭效应"、较低的硫负载量、大的体积膨胀以及复杂的内部反应机理等。为了提高锂硫电池整体的性能,设计具有高的比表面积、优越的导电性以及更多的活性位点的基底材料来负载硫变得越来越重要。为解决这些问题,研究者们设计了各种不同材料来进行硫的负载,例如碳-硫复合材料、金属氧化物-硫复合材料、聚合物-硫复合材料等。其中由于碳材料具有密度低、比表面积大、导电性好、结构多样、易于加工制备和价格低廉等优点,引起了研究者们的广泛关注,因此研究者们相继实现了用一维、二维以及三维等不同结构的碳材料来负载硫,使得锂硫电池的循环寿命、循环稳定性和库伦效率得到了有效的提高。虽然在循环寿命等方面,研究者们做出了很大的贡献,但是硫的负载量却有限,从而导致电池整体的能量密度仍然很低。从商业化的角度来看,电池能量密度的高低才是研究者们关注的重点,因此研究者们在提高其性能的同时,也在不断地提高硫的负载量,以求达到更高的能量密度。本文主要从四个方面进行了相关总结:首先,概述了锂硫电池最新发展状况;其次,概要介绍了锂硫电池中存在的反应机理和阻碍锂硫电池发展的主要问题;再次,重点总结了提高锂硫电池的性能和载硫量方面的研究进展,并简单介绍了面载量、面容量和电解液与硫的比值对电池整体性能的影响;最后,总结和展望了锂硫电池未来可能的发展方向。     

锂硫二次电池硫基正极材料的研究进展

作为新一代的储能体系,锂硫二次电池以高的理论能量密度(2 600 m Ah/g),廉价的正极材料以及环境友好等特点受到广泛的关注。但是,由于硫的绝缘性和充放电过程中体积的膨胀、锂硫之间复杂的电化学反应及其产物多硫化物的溶解性等诸多问题的存在,阻碍了锂硫二次电池走向商业化。本文从无机金属化合物与硫复合、导电高分子与硫复合、纳米碳及其衍生物与硫复合,以及三元复合等方面出发,综述了近年来锂硫电池正极材料的研究现状,并展望了该材料的未来发展趋势。     

锂硫电池硫正极反应机理研究进展

详细地讨论了锂硫电池正极电化学反应机理,论述了利用紫外-可见光谱(UV-vis)、高效液相色谱(HPLC)和液相色谱-质谱联用(LS-MS)多种测试手段对电极反应过程的研究进展,分析了导致锂硫电池循环可逆性差的因素,并对其商业化应用进行了展望。     

工作温度对钠-氯化镍电池正极结构及电化学性能的影响

钠-氯化镍电池是一种中温电池, 研究温度对电池性能的影响具有重要意义。本工作研究了工作温度对含硫电池和不含硫电池的正极结构和电化学性能的影响。研究发现, 无论电池的正极中是否含有单质硫, 适当地降低电池工作温度都能提高电池的循环性能。降低电池工作温度能降低颗粒的表面活性, 减缓金属镍颗粒的团聚长大, 进而提高电池循环性能。但当工作温度进一步降低时, 电化学反应速率、Na⁺迁移速率和熔融金属钠与β″-Al₂O₃的润湿性也会随之变差, 电池性能反而会下降。无论电池正极中是否含硫, 钠-氯化镍电池最佳的工作温度约为260℃。     

聚苯胺包覆蛋白石页岩/硫复合材料的制备及其电化学性能

以蛋白石页岩为载硫体, 通过化学沉积法制备蛋白石页岩/硫复合材料, 再利用化学氧化聚合法在其表面包覆一层聚苯胺, 制备出一种新型的蛋白石页岩/硫-聚苯胺复合材料, 作为锂硫电池的正极材料。SEM、TEM和BET等测试结果表明蛋白石页岩呈层状多孔结构, 小尺寸硫在材料内分布均匀,聚苯胺包覆的厚度约为400 nm。电化学性能测试表明, 蛋白石页岩/硫-聚苯胺正极活化后放电比容量最高达到1164.93 mAh/g, 在0.5C (1.0C=1675 mA/g)倍率下, 循环300次后放电比容量为539.30 mAh/g, 库伦效率始终保持在95%以上, 说明蛋白石页岩具有良好的吸附性, 同时导电聚苯胺包覆层具有双效固硫的作用, 有利于吸附多硫化物和抑制穿梭效应。     

CeO2纳米晶的添加对锂硫电池电化学性能的影响

以Ce(OH)₄为原料, 采用热分解法制备得到粒径小于10 nm的CeO₂纳米晶。制备得到的CeO₂纳米晶表面存在丰富的羟基和硝基, 作为硫正极添加剂, 一方面可以有效吸附硫和多硫化锂, 抑制多硫化锂在电解液中的溶解和穿梭效应的发生, 进而提高电池的循环性能。同时, 可以改善电极和电解液之间的接触性, 提高活性物质利用率。其中, 含有5wt%的CeO₂纳米晶的锂硫电池在0.1C和0.5C(1C=1675 mA/g)的充放电倍率下, 100周之后放电比容量分别达750 mAh/g和598 mAh/g, 远高于不含有CeO₂纳米晶的523 mAh/g和395 mAh/g, 同时, 循环前后的电池阻抗也明显降低。     

基于高活性碳纳米管海绵体载硫的锂硫电池

用CVD法制备的碳纳米管(CNTs)之间的相互吸引,将其堆叠成具有网状结构、多孔及高活性等优点的CNT海绵体(CNTS).于是,硫蒸气可在CNTs管束上形核沉积并与其紧密接触,使正极电子的高速传输从而提高电池的倍率性能;用XRD、SEM、拉曼光谱等手段测试CNTS载硫前后的极片,考察了硫在CNTs表面的分布和载硫对其结...     

钠离子电池正极材料NaVPO4F的合成及其电化学性能

本文报道了在氩气保护下用两段高温固相反应法制备NaVPO4F作为钠离子电池正极材料,并用傅立叶红外光谱(FT-IR),原子吸收光谱(AAS),热重分析(TG/DTG),X-射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),恒流充放电等对其结构和性能进行了测试和表征.结果表明:750℃左右反应可以获得稳定、结晶度好的NaVPO4F,其晶型为简单单斜晶系,与前驱体VPO4的晶型一致;SEM测试表明NaVPO4F的粒径分布均匀,粒径大小在微米级,材料首次放电容量为87mAh/g.     

负载ZnS的介孔炭复合硫正极材料的制备及性能研究

为了获得高性能的锂硫电池正极材料, 采用先超声分散再进行热处理的方法制备了负载ZnS的介孔炭复合材料(ZnS/MC), 进而用热复合法获得负载有ZnS的介孔炭复合硫正极材料(ZnS/MC/S)。XRD、SEM、EDS和N2吸附脱附等温线表明, 当ZnS含量低于17wt%时, 通过超声波分散, ZnS可以均匀负载到介孔炭中; 但热处理或提高ZnS含量时ZnS会发生聚集, 形成闪锌矿型ZnS晶相。循环伏安测试表明, ZnS对多硫离子的氧化起促进作用; 充放电测试表明, ZnS/MC/S电极的初始放电比容量为1354.6 mAh/g, 首次充放电库仑效率为98.7%; 50次循环后容量仍有650 mAh/g。