高比能锂硫电池关键材料的研究

锂硫电池具有突出的高比能量优势和原料廉价、环境友好等优点,有望成为新一代高能电池体系,但循环性能差是制约其实用化的主要障碍.本文介绍了锂硫电池的国内外发展水平,综述了锂硫电池在正极材料、电解质、负极及体系方面的重要进展,并着重介绍了防化研究院近5年在这一领域的主要成果:制备了硫化导电高分子材料和介孔炭/硫复合材料两类正...     

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.     

锂硫银锗矿固态电解质研究进展

全固态电池因其较高的安全性和能量密度而成为下一代电动汽车和智能电网用储能器件的重点研究方向之一。开发具有高室温锂离子电导率、化学/电化学稳定性优异、对电极材料兼容性优异等特点的固态电解质材料是推动全固态电池发展的重要研究课题之一。硫化物电解质因其相对较高的室温电导率(~10⁻³ S∙cm⁻¹)、较低的电解质/电极固-固界面阻抗等优点而在众多无机固体电解质材料中成为研究热点。本文基于作者多年研究成果和当前国内外发表的相关工作,从电解质的结构、离子传导、合成、综合性能改善及在全固态电池中的应用等方面系统总结了锂硫银锗矿固态电解质材料研究,并分析了该类电解质面临的问题和挑战,最后探讨了其未来可能的研究方向和发展趋势。     

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.     

固态锂硫电池研究进展（英文）

固态锂硫电池具有高能量密度和高安全性的潜在优势,被认为是最有前景的下一代储能体系之一。虽然固态电解质的应用有效地抑制了传统锂硫电池存在的“穿梭效应”和自放电现象,固态锂硫电池仍面临着多相离子/电子输运、电极/电解质界面稳定性、化学-机械稳定性、电极结构稳定性和锂枝晶生长等关键问题亟待解决。针对以上问题,本综述对近年来固态电解质、硫基复合正极、锂金属及锂合金负极以及电极/电解质界面的研究进行了详细的论述。作为固态锂硫电池的重要组成部分,固态电解质近年来受到了研究者们的广泛关注。本文首先对在锂硫电池中得到广泛应用的聚合物基、氧化物基、硫化物基固态电解质的种类和性质进行了概述,并对其在固态锂硫电池中的最新应用进行了系统的总结。在此基础上,对以单质硫、硫化锂、金属硫化物为活性物质的复合硫正极、锂金属及锂合金负极的反应机理以及面临的挑战进行了归纳和比较,对其解决策略进行了总结和分析。此外,对制约固态锂硫电池性能的电极/电解质界面离子/电子输运以及界面相容性问题及其改性策略进行了系统的阐述。最后,对固态锂硫电池的未来发展进行了展望。     

固态锂金属电池中原位聚合电解质的研究进展

在下一代电池体系中,固态金属锂电池具有高能量密度潜力,同时有望避免目前电池面临的燃烧、爆炸等安全隐患.其中,固态电解质和电极材料之间的固-固界面接触差是其实用化面临的重要挑战.近年来,经电池内部原位聚合反应制得的原位聚合电解质用于固态锂金属电池具备界面一体化提升固-固界面相容性、抑制枝晶的形成、抑制正极过渡金属离子/多硫化物/氧化还原介质的溶解/穿梭并提升电池电化学性能多种优势.本文首先讨论了聚合电解质的反应机理,然后分析了电池内部常见电解质的原位聚合原理,总结了固态锂金属电池中原位聚合电解质的最新研究进展.最后,对未来原位聚合电解质的发展方向和商业化应用进行了展望.     

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.     

PEO基聚合物电解质及其锂硫电池性能研究

锂硫电池由于具有高的理论比能量引起了广泛关注,然而传统液态锂硫电池由于多硫化物的“穿梭效应”以及安全问题而限制了其应用,全固态锂硫电池可显著提高电池安全性能并有望解决多硫化物的穿梭问题. 本文采用传统的溶液浇铸法制备了具有不同的[EO]/[Li⁺]的PEO-LiTFSI聚合物电解质,并将其应用于锂硫电池. 研究发现,虽然[EO]/[Li⁺] = 8的聚合物电解质具有更高的离子电导率,但是[EO]/[Li⁺] = 20的电解质与金属锂负极间的界面阻抗更低,界面稳定性更好. Li|PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)|Li对称电池在60 °C,电流密度为0.1 mA·cm^-2时可稳定循环超过300 h,而Li|PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)|Li对称电池循环75 h就出现了短路现象. 基于PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)电解质的锂硫电池首圈放电比容量为934 mAh·g^-1,循环16圈后放电比容量为917 mAh·g^-1以上. 而基于PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)电解质的锂硫电池,由于与锂负极较低的界面稳定性不能够正常循环,首圈就出现了严重过充现象.     

有机硫化合物在锂硫电池中的应用

锂硫电池具有理论能量密度高、环境友好和成本低等优点,有望成为替代锂离子电池的新一代储能系统。然而,锂硫电池充放电产物的绝缘性、可溶性多硫化锂的穿梭效应、硫正极体积膨胀及锂枝晶的不可控生长,严重影响了锂硫电池的实际容量发挥和循环稳定性。为解决上述问题,采用有机硫化合物来替代单质硫作为正极材料是有前途的策略。调控有机硫化合物的硫链、碳链及其相互作用,可改变其电化学反应过程,提高离子/电子电导,抑制穿梭效应。有机硫化合物作为电解液添加剂,可调控硫正极的反应过程并保护金属锂负极,作为聚合物电解质的改性链段可加速锂离子传导。本综述对有机硫化合物在锂硫电池的正极、电解液添加剂和固态电解质中的应用研究进展进行详细的阐述。将有机硫化合物的结构、反应机理和电化学性质联系起来,为解决锂硫电池存在的问题提供见解。最后,提出高性能有机硫化合物的设计合成和机理研究思路,以期实现可实用化的锂硫电池。     

锂离子电池固态电解质的研究进展

和传统电解液相比,固态电解质热稳定性好,电位窗高,力学性能好且对环境友好;更重要地,由固态电解质组成的锂离子电池能量密度比传统锂离子电池更高,因而成为当前研究的热点。综述了几种主要固态电解质,包括无机固体电解质、固态聚合物电解质、凝胶电解质及复合型电解质的优势、研究进展以及面临的问题,并展望了未来固态电解质的发展趋势。     

A Plastic–Crystal Electrolyte Interphase for All‐Solid‐State Sodium Batteries

The development of all‐solid‐state rechargeable batteries is plagued by a large interfacial resistance between a solid cathode and a solid electrolyte that increases with each charge–discharge cycle. The introduction of a plastic–crystal electrolyte interphase between a solid electrolyte and solid cathode particles reduces the interfacial resistance, increases the cycle life, and allows a high rate performance. Comparison of solid‐state sodium cells with 1) solid electrolyte Na₃Zr₂(Si₂PO₄) particles versus 2) plastic–crystal electrolyte in the cathode composites shows that the former suffers from a huge irreversible capacity loss on cycling whereas the latter exhibits a dramatically improved electrochemical performance with retention of capacity for over 100 cycles and cycling at 5 C rate. The application of a plastic–crystal electrolyte interphase between a solid electrolyte and a solid cathode may be extended to other all‐solid‐state battery cells.     

用纳米羟基磷灰石@多孔碳构建锂硫电池高效反应界面

由于正极活性物质硫具有能量密度高、成本低廉和储量丰富等优点,锂硫（Li-S）电池受到了人们的极大关注。然而,锂硫电池充放电过程中产生的多硫化锂的“穿梭效应”严重阻碍了其实用化进程。为了解决这个问题,本研究借助动物软骨的组成和结构特点,制备了纳米羟基磷灰石@多孔碳（nano-HA@CCPC）复合材料,并以此设计了面向正极的锂硫电池隔膜涂层。研究表明,纳米羟基磷灰石不仅对多硫化物具有吸附固定作用,并且对多硫化锂的转化具有催化作用,加快了多硫化锂的氧化还原动力学,有效地提升了活性物质硫的利用率。另外,软骨基碳复合材料的多孔结构形成了很好的导电网络,为电化学反应提供了优良的电子传导路径;也有利于电解液的浸润,加快了离子传输;碳的氮原子掺杂进一步限制了多硫化物的穿梭效应。因此,采用nano-HA@CCPC隔膜涂层的锂硫电池表现出较长的循环寿命、低的容量损失以及高的倍率性能。在0.5 C下,循环325次后,电池仍然能保持815 mAh·g^-1的放电比容量,并且每次的容量衰减率仅为0.051%。nano-HA@CCPC的设计制备将为锂硫电池的发展提供新材料。     

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.     

A Sustainable Solid Electrolyte Interphase for High‐Energy‐Density Lithium Metal Batteries Under Practical Conditions

High‐energy‐density Li metal batteries suffer from a short lifespan under practical conditions, such as limited lithium, high loading cathode, and lean electrolytes, owing to the absence of appropriate solid electrolyte interphase (SEI). Herein, a sustainable SEI was designed rationally by combining fluorinated co‐solvents with sustained‐release additives for practical challenges. The intrinsic uniformity of SEI and the constant supplements of building blocks of SEI jointly afford to sustainable SEI. Specific spatial distributions and abundant heterogeneous grain boundaries of LiF, LiN_xO_y, and Li₂O effectively regulate uniformity of Li deposition. In a Li metal battery with an ultrathin Li anode (33 μm), a high‐loading LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ cathode (4.4 mAh cm^?2), and lean electrolytes (6.1 g Ah^?1), 83 % of initial capacity retains after 150 cycles. A pouch cell (3.5 Ah) demonstrated a specific energy of 340 Wh kg^?1 for 60 cycles with lean electrolytes (2.3 g Ah^?1).     

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。     

当前和下一代锂离子电池电解液的原子尺度微观认识和研究进展

电解液及构筑电极电解液界面对于开发和应用高比容量储能系统至关重要。具体来说,电解液的机械（抗压性、粘度）、热（热导率和热容）、化学（溶解性、活度、反应性）、输运和电化学（界面及界面层）等性质,与其所组成的储能器件的性能直接相关。目前,大量的实验研究通过调控电解液的物理和/或化学组成来改善电解液性能,以满足新型电极材料的工作运行。与此同时,理论模拟方法近年来得到了迅速发展,使人们可以从原子尺度来理解电解液在控制离子输运和构筑功能化界面的作用。站在理论模拟研究的前沿上,人们可以利用其所揭示的机理性认识对新型电解液开展理性设计。本文首先总结了传统电解液的组成、溶剂化结构和输运性质以及电极电解液界面层的形成机理,进一步讨论了利用新型电解液设计稳定电极电解液界面层的方法,包括使用电解液添加剂、高浓电解液和固态电解质,并着重讨论了对这些新型电解液体系进行原子尺度模拟的最新进展,为了解和认识电解液提供更为基本的理解,并为未来电解液的设计提供系统的指导。最后,作者对新型电解液的理论筛选进行了展望。     

An Adjustable-Porosity Plastic Crystal Electrolyte Enables High-Performance All-Solid-State Lithium-Oxygen Batteries

The limited triple-phase boundaries (TPBs) in solid-state cathodes (SSCs) and high resistance imposed by solid electrolytes (SEs) make the achievement of high-performance all-solid-state lithium-oxygen (ASS Li-O₂) batteries a challenge. Herein, an adjustable-porosity plastic crystal electrolyte (PCE) has been fabricated by employing a thermally induced phase separation (TIPS) technique to overcome the above tricky issues. The SSC produced through the in-situ introduction of the porous PCE on the surface of the active material, facilitates the simultaneous transfer of Li⁺/e⁻, as well as ensures fast flow of O₂, forming continuous and abundant TPBs. The high Li⁺ conductivity, softness, and adhesion of the dense PCE significantly reduce the battery resistance to 115 Ω. As a result, the ASS Li-O₂ battery based on this adjustable-porosity PCE exhibits superior performances with high specific capacity (5963 mAh g⁻¹), good rate capability, and stable cycling life up to 130 cycles at 32 °C. This novel design and exciting results could open a new avenue for ASS Li-O₂ batteries.     

氮硫共掺杂多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池因其较高的理论容量和对环境友好等优势被视为极具发展潜力的储能装置,但是多硫化物的穿梭效应极大地限制了锂硫电池的实际应用。本文以葡萄糖为碳源,离子液体为氮源和硫源,KCl和ZnCl₂为模板剂,KOH为活化剂,通过热解工艺合成了氮硫共掺杂多孔碳（NSPC）。XPS和极性吸附实验表明N、S杂原子成功引入并且提高了碳材料对多硫化物的吸附能力,有效缓解多硫化物的穿梭效应,而较高的比表面积（1290.67 m²·g^-1）有助于提高硫负载量。负载70.1wt.%的硫后（S@NSPC）作为锂硫电池的正极材料表现出了良好的电化学性能。在167.5 mA·g^-1的电流密度下S@NSPC的首次放电容量为1229.2 mAh·g^-1,远高于S@PC的861.6 mAh·g^-1,且S@NSPC循环500圈后容量为328.1 mAh·g^-1。当电流密度从3350 mA·g^-1恢复至167.5 mA·g^-1时,可逆容量达到首圈放电比容量的80%,几乎恢复至其初始值。     

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。     

锂硫电池及关键材料研究进展

锂硫电池因具有远高于传统锂离子电池的理论比容量和质量能量密度,而受到人们的广泛关注,近年来一直是高能锂金属电池领域的研究热点之一. 然而这一体系的一些固有特性问题依然没有得到解决,无法实现稳定理论容量输出,严重阻碍了锂硫电池的实际应用. 其中,比较突出的问题是电池充放电过程中生成可溶性中间产物-多硫化物-对硫基正极、锂基负极和电解液等电池关键组成部分具有深刻的影响. 本综述从多硫化物的热力学和动力学等性质入手,详细介绍了锂硫电池中关键材料的功能化设计和优化策略,并对未来的发展做出展望.