锂硫电池石墨烯/硫复合正极材料的制备及其电化学性能

以经活化处理的石墨烯(AG)为主体材料, 通过化学还原法制备了石墨烯负载硫的复合正极材料AG/S。SEM、EDX和TEM测试结果表明经活化处理后形成手风琴结构的AG, 有利于电解液的浸润; 活性物质硫均匀地负载在AG表面, 同时沉积在AG的层间。电化学测试表明: 在400 mA/g电流密度下, AG/S复合正极材料首次放电比容量为1452.9 mAh/g, 经过200次循环之后, 放电比容量仍保持在909.7 mAh/g; 在1000 mA/g电流密度下, AG/S复合材料首次放电比容量为1309.9 mAh/g, 经过200次循环之后, 放电比容量仍保持在717.1 mAh/g。AG/S复合正极材料的倍率性能、库仑效率和循环性能优异, 这得益于小尺寸的硫在材料中均匀分布, 活化石墨烯优良的导电性以及其结构对硫的固化作用。     

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。     

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。     

不同合成方法制备硫/碳复合正极材料及表征

以活性炭和升华硫为原料,采用熔融法、气相法和真空浸渍法制备硫/碳复合正极材料,通过碳硫分析、粒度测试、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、BET及孔径分布来表征材料的结构,并用恒流充放电测试考察了所得材料的电化学性能。结果表明,气相负载法制备的复合材料具有更好的电化学性能,在15mA/g电流密度下首次放电比容量为768mAh/g,不同电流密度循环24次后容量仍有405mAh/g。     

二硫化钼对锂硫电池正极材料性能的影响机理

炭黑具有良好的导电性、价格较低、来源稳定、可大量制备等优点,可有效提高硫正极材料的导电性,改善电极的动力学性能.二维层状结构的二硫化钼(MoS2)因其含有的金属-硫键可以与多硫化物通过静电作用或化学键作用结合,从而可以有效地抑制锂硫电池存在的穿梭效应,提高锂硫电池的倍率性能.本文采用球磨法和水热法制备了硫/炭黑复合材料...     

锂硫电池硫正极材料研究现状与展望

综述了锂硫电池硫正极材料的研究现状。针对锂硫电池目前存在的问题,展望了其发展趋势,并指出硫/有序多孔碳纳米复合材料对提升锂硫电池性能有重要研究价值;同时形成三维空间传导网络的导电添加剂和具有良好粘接性、导电性及电化学稳定性的粘结剂对锂硫电池性能提升也具有重要作用。     

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(2600 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.     

多壁碳纳米管对单质硫正极材料电化学性能的改性

为增强单质硫电极的导电性能和抑制活性硫在电解液中的溶解,选用高比表面积、强吸附能力的多壁碳纳米管作为非活性添加剂,通过密封分段加热的方式与单质硫形成复合材料。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和比表面积(BET)测试均表明单质硫均匀分散到碳纳米管基体中。电化学测试显示添加碳纳米管的硫电极首次放电比容量高达1 487.0mAh.g-1,硫的利用率达到了88.9%,循环50次后比容量还保持在913.7mAh.g-1,较之普通硫电极其电化学性能得到显著改善。     

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。     

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%。     

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。     

LiFePO_4/graphene锂离子电池复合正极材料的制备与性能

通过溶胶-凝胶烧结法制备了LiFePO4/graphene锂离子电池复合正极材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、循环伏安(CV)以及各种电化学检测技术对合成材料的结构、形貌进行了表征。LiFePO4/graphene复合材料的表面上和其中的LiFePO4微小颗粒之间都有石墨烯,说明石墨烯与LiFePO4已很好地融合在一起,形成了具有三维空间结构的立体导电网络,大大地提高了复合材料的电子导电性能及减少了电荷转移电阻,从而充分发挥了活性材料的全部潜力。电化学测量表明LiFePO4/graphene的电化学性能比LiFePO4/C更好。LiFePO4/graphene具有较高的比容量和优良的大倍率性能,在0.1和5C电流充放时,LiFePO4/graphene的比容量分别为163.81和101.57 mAh/g,而LiFePO4/C仅为146.05和54.67mAh/g。LiFePO4/graphene也具有优良循环性能,0.5C循环100次,容量保持率为98.48%。     

Polyaniline-modified cetyltrimethylammonium bromide-graphene oxide-sulfur nanocomposites with enhanced performance for lithium-sulfur batteries

Conductive polymer coatings can boost the power storage capacity of lithiumsulfur batteries. We report here on the design and preparation--by combining a facile and green chemical deposition method with an oxidative polymerization approach--of polyaniline （PANI）-modified cetyltrimethylammonium bromide （CTAB）-graphene oxide （GO）-sulfur （S） nanocomposites with significantly enhanced performance in lithium-sulfur batteries. Such conductive polymer modified CTAB-GO-S nanocomposites as sulfur cathode materials can deliver high specific discharge capacities and long-term cycling performance, i.e., -970 mAh-g-1 at 0.2 C and -715 mAh-g-1 after 300 cycles, -820 mAh.g-1 at 0.5 C and -670 mAh.g-1 after 500 cycles, -770 mAh.K at 1 C and -570 mAh.g-~ after 500 cycles. The capacity decay was as low as 0.036% per cycle at 0.5 C, and 0.051% per cycle at 1 C. Under the same condition, batteries using PANI-modified CTAB-GO-S as cathodes exhibited higher specific capacity and higher average coulombic efficiency compared with CTAB-decorated GO-S and GO--S nano- composites. The improved performance can be attributed to the lower charge transfer resistance and the alleviated dissolution of polysulfides in the PANI- modified CTAB-GO-S cathodes.     

锂离子电池正极材料磷酸铁锂:进展与挑战

磷酸铁锂(LiFePO4)由于安全性能好、循环寿命长、原材料来源广泛、无环境污染等优点被公认为是最具发展潜力的锂离子动力与储能电池正极材料。经过10余年的深入研究,LiFePO4已经进入实用化阶段,综述了磷酸铁锂材料近年来在基础和应用研究方面的最新进展。     

锂离子电池正极材料氟化处理研究进展

综述了几种锂离子电池正极材料在氟掺杂及氟化表面处理改性方面的研究工作;部分正极材料进行氟处理以后材料稳定性、循环性能、工作电压及充放电容量得到很大改善,简要分析了材料性能得到改善的原因;对锂离子电池正极材料进行氟化改性研究,需要进一步深入研究的方向做出了展望。     

Emerging characterization techniques for delving polyanion-type cathode materials of sodium-ion batteries

Polyanion-type cathode materials have grown in leaps and bounds and become one of the promising candidates for metal-ion batteries since the successful case of LiFePO₄ in lithium-ion batteries, which own stable crystal structure, high thermal stability, good ionic conductivity, adjustable voltage and chemical composition. However, further exploration is requisite, such as, the change of crystal/electronic structure, reaction mechanism, and structure evolution during charge/discharge processes, which results from variety of crystal types and redox centers, anion and cationic doping/substitution, as well as transition metal ion migration in polyanion-type materials. In this review, we focus on the advanced characterization techniques referred in polyanion-type cathode materials of sodium-ion batteries, mainly consist of the structure-related, morphology-related, composition-related techniques and in-situ/operando techniques during charge/discharge processes. The respective detection mechanisms, scope of application, information available and limitations of each technique are discussed in detail, and the latest developments of these characterization techniques used in polyanion-type materials are summarized. Advanced characterization techniques play a crucial role in understanding the reaction mechanisms of electrode materials, and can provide an important guiding principle for designing high-performance polyanion-type cathode materials and further optimizing the battery systems of sodium-ion batteries.     

Preparation of nitrogen-doped three-dimensional hierarchical porous carbon/sulfur composite cathodes for high-performance aluminum-sulfur batteries

Abstract

Aluminum-ion batteries, as a feasible substitute for lithium-ion batteries, have the advantages of high safety, high capacity, low cost and environmental friendliness. However, the cathode material is one of the key factors restricting the performance and practical application of aluminum-ion batteries. Sulfur is becoming a promising cathode material for aluminum-ion batteries due to its considerable theoretical specific capacity. However, the poor conductivity of elemental sulfur seriously limits the development of aluminum-sulfur batteries. In this work, nitrogen doped three-dimensional multi-stage porous carbon materials (N-C/S) were prepared, which were compounded with sulfur to prepare carbon sulfur composite cathode materials. The microstructure, phase morphology, element composition and electrochemical performance were analyzed by various characterization methods. Then, N-C/S composite was used as a positive electrode to assemble a new type of aluminum-sulfur batteries, and its performance was evaluated. This novel high-performance N-C/S composite cathode holds great potential in future high-performance aluminum-sulfur batteries.     

Enhanced electrochemical properties of sodium-doped lithium-rich manganese-based cathode materials

In this work, sodium has been successfully doped into the layered lithium-rich manganese-based cathode material through melt impregnation. The as-prepared samples are characterized by multiple techniques of x-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, x-ray photoelectron spectroscopy and the electrochemical measurements. The results show that sodium doping hardly changes the layered structure and surface morphology of pristine sample. The sample particles of sodium-doped materials exhibit polygonal shape similar to prism. The sodium-doped material possesses high rate performance and good cycling stability, and the initial charge and discharge capacity reaches 340.2 mA h g⁻¹ and 249.0 mA h g⁻¹ at a current density of 20 mA g⁻¹, respectively. The initial coulombic efficiency of the first cycle is 73 %. After running 100 repeated cycles at 40 mA g⁻¹ and 100 mA g⁻¹, the discharge capacity could still be maintained at about 230.0 mA h g⁻¹ and 220.0 mA h g⁻¹, respectively. Moreover, the voltage attenuation is effectively suppressed during charging/discharging cycles.