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...     

碳空心球/硫复合材料制备和电化学性能研究

采用PMMA为模板制备碳空心球材料,并以碳空心球材料为导电骨架与硫材料复合制得碳空心球/硫复合材料. SEM和TEM照片显示,硫材料能均匀地填充在碳空心球的孔道和腔体内部. 采用恒电流充放电测试碳空心球/硫复合电极的电化学性能. 结果表明,在100 mA·g^-1、500 mA·g^-1、1 A·g^-1、2 A·g^-1 和5 A·g^-1电流密度下,碳空心球/硫复合电极可逆放电容量分别为1145 mAh·g^-1、824 mAh·g^-1、702 mAh·g^-1、586 mAh·g^-1和395 mAh·g^-1,呈现出较优异的倍率循环寿命.     

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。     

碳膜夹层锂硫电池的电化学性能

选取Super-P（SP）、KB或MWCNTs导电碳膜夹层,并置于硫电极与隔膜间组装成扣式锂硫电池.相关评估结果表明,碳膜夹层可显著提高锂硫电池循环性能,硫电极（载硫量为80%,by mass,下同）循环40周后比容量均在800 mAh·g^-1以上. 上述三种碳膜的物理性质有较大差异,导致相应电池具有不同电性能. KB碳膜夹层电池呈现较强的电化学极化效应;SP碳膜夹层电池循环初期可释放出最高的比容量,而循环稳定性较差;MWCNTs碳膜可视为较适宜的导电碳夹层材料.     

石墨烯作为硫载体在锂硫电池中的研究进展

锂硫电池因其超高的理论能量密度以及硫资源丰富、成本低廉、无毒的优点,被认为是极具发展潜力与应用前景的新一代储能设备。然而,硫正极导电性差、体积膨胀以及穿梭效应严重等问题严重制约了其商业化应用。石墨烯具有高比表面积、高导电性和高柔韧性,并且易于进行表面化学修饰及组装,是一种理想的硫载体材料。本文主要综述了近年来三维石墨烯、表面化学修饰的石墨烯、石墨烯基复合材料以及石墨烯基柔性材料在锂硫电池正极中的研究现状,并展望了石墨烯作为硫载体在锂硫电池正极中的发展趋势。     

锂硫电池硫碳复合正极材料研究现状及展望

二次锂硫电池被视为最具有发展潜力的下一代高能量密度二次电池之一. 但由于正极硫的电导率低（5×10^-30 S·cm^-1）,且在放电过程中产生的中间体多硫化物易溶于有机电解液,致使锂硫电池活性物质利用率降低,溶解后的多硫化物还会迁移到负极,被还原成不溶物Li2S2/Li2S而沉积于负极锂,使电极结构遭受破坏,造成电池容量大幅衰减,循环性能差,从而限制了进一步的开发应用. 研究表明,以碳作为导电骨架的硫碳复合正极材料能在不同程度上解决上述问题,从而有效提高了锂硫电池的放电容量和循环性能. 本文综述了近年来国内外报道的各种锂硫电池正极材料的研究进展,结合作者课题组的研究,重点探讨了硫碳复合正极材料,并对其今后的发展趋势进行了展望.     

由含铝金属有机骨架材料制备的多孔碳在锂硫电池中的应用

采用水热法制备了一种含铝金属有机骨架材料, 其在高温下发生炭化得到多孔碳, 最后与硫复合制得锂硫电池正极材料. XRD图谱显示在高温炭化时多孔碳样品出现了部分石墨化. N₂等温吸附-脱附测试分析显示合成的多孔碳材料含有微孔和介孔结构. 对不同载硫量的锂硫电池进行了充放电性能测试, 结果显示S质量分数为46.3%的样品在0.01 C倍率下首次放电容量达到1272 mA·h/g; 在0.1 C倍率下首次放电容量为934 mA·h/g, 循环性能良好.     

高性能硫/碳凝胶复合正极材料的制备及应用

以碳凝胶作导电骨架,合成硫/碳凝胶复合物.XRD、SEM等表征显示,该复合材料完全保持了碳凝胶的形貌,颗粒大小在10μm以下,硫吸附在碳凝胶内部空隙中呈无定形态,表现出良好的电化学性能.以0.1C放电,该材料首圈放电容量达到1311mAh/g.0.2C循环充放,首圈放电容量为1107.1mAh/g,30周充放电后,放电容量仍不低于800mAh/g.     

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。     

锂硫电池正极用硫/介孔碳复合材料的制备及电化学性能

制备了以十二烷基硫酸钠(SDS)为模板的介孔碳,并将介孔碳和单质硫采用熔融渗透法复合制得硫/介孔碳复合材料。SEM、TEM和BET结果显示介孔碳成直径约为500 nm的大小均一的球体,存在孔径为2 nm的微孔;单质硫充分填充在介孔碳的微孔中。以硫/介孔碳复合物作为锂硫电池正极材料时显示出高的电化学性能。初始放电容量高达1519 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下充放电200个循环后依然能保持在835 mAh·g^-1。硫/介孔碳复合材料的高倍率性能和优异的循环稳定性,源于介孔碳良好的导电性及其孔结构的固硫作用。     

百香果皮基原位氮掺杂多孔碳/硫复合正极的制备及储锂性能

以生物质百香果皮为碳源,KHCO3为活化剂,采用同步活化碳化方法制备原位氮掺杂的分级多孔碳材料,将其与单质硫复合制得多孔碳/硫正极材料。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等表征技术对制备材料的物相组成、微观形貌、比表面积及孔结构进行研究分析。同时,利用紫外可见吸收光谱研究了多孔碳对多硫化物的吸附作用,用恒电流充放电测试了不同硫含量(60%～80%)的多孔碳/硫复合正极材料的电化学性能。结果表明,制得的多孔碳材料为无定型,具有1 093 m²·g^-1的高比表面积和0.63 cm³·g^-1的孔容;丰富的多孔结构和原位氮掺杂对多硫化物的物理化学协同吸附作用,有效降低了锂硫电池的“穿梭效应”,提高了电池的放电比容量和循环性能。硫含量为60%的多孔碳/硫复合材料,在0.05C和0.2C倍率下可释放1 057.7和763.4 mAh·g^-1的高初始放电比容量,在1C的高倍率下循环300次后的保持率为75%。     

硫/多孔碳纳米管复合材料的制备及电化学性能

为了解决单质硫导电性差、充放电过程中体积膨胀、中间产物多硫化物的穿梭效应等问题,将硫负载于一种高比表面积的多孔碳纳米管（PCNTs）,制备了S/PCNT复合材料,研究了其电化学性能。相比于S/CNT,S/PCNT的电化学性能有明显提升,这可归因于S/PCNT中的嵌入结构,为硫在充放电过程中的体积膨胀提供了缓冲空间,避免了硫与电解液的直接接触,进而有效限制多硫化物的溶解,从而缓解多硫化物的穿梭效应,使硫正极具有更好的循环稳定性。     

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。     

Sulfur and Its Role In Modern Materials Science

Although well‐known and studied for centuries, sulfur continues to be at the center of an extensive array of scientific research topics. As one of the most abundant elements in the Universe, a major by‐product of oil refinery processes, and as a common reaction site within biological systems, research involving sulfur is both broad in scope and incredibly important to our daily lives. Indeed, there has been renewed interest in sulfur‐based reactions in just the past ten years. Sulfur research spans the spectrum of topics within the physical sciences including research on improving energy efficiency, environmentally friendly uses for oil refinery waste products, development of polymers with unique optical and mechanical properties, and materials produced for biological applications. This Review focuses on some of the latest exciting ways in which sulfur and sulfur‐based reactions are being utilized to produce materials for application in energy, environmental, and other practical areas.     

Sulfur Spillover on Carbon Materials and Possible Impacts on Metal–Sulfur Batteries

There is currently intense research on sulfur/carbon composite materials as positive electrodes for rechargeable batteries. Such composites are commonly prepared by ball milling or (melt/solution) impregnation to achieve intimate contact between both elements with the hope to improve battery performance. Herein, we report that sulfur shows an unexpected “spillover” effect when in contact with porous carbon materials under ambient conditions. When sulfur and porous carbon are gently mixed in a 1:1 mass ratio, complete surface coverage takes place within just a few days along with the loss of the sulfur bulk properties (crystallinity, melting point, Raman signals). Sulfur spillover also occurs in the presence of a liquid phase. Consequences of this phenomenon are discussed by considering a sodium–sulfur cell with a solid electrolyte membrane.     

Radially Inwardly Aligned Hierarchical Porous Carbon for Ultra‐Long‐Life Lithium–Sulfur Batteries

Rational design of hollow micro‐ and/or nano‐structured cathodes as sulfur hosts has potential for high‐performance lithium‐sulfur batteries. However, their further commercial application is hindered because infusing sulfur into hollow hosts is hard to control and the interactions between high loading sulfur and electrolyte are poor. Herein, we designed hierarchical porous hollow carbon nanospheres with radially inwardly aligned supporting ribs to mitigate these problems. Such a structure could aid the sulfur infusion and maximize sulfur utilization owing to the well‐ordered pore channels. This highly organized internal carbon skeleton can also enhance the electronic conductivity. The hollow carbon nanospheres with further nitrogen‐doping as the sulfur host material exhibit good capacity and excellent cycling performance (0.044 % capacity degradation per each cycle for 1000 cycles).     

Dual Protection of Sulfur by Carbon Nanospheres and Graphene Sheets for Lithium–Sulfur Batteries

Well‐confined elemental sulfur was implanted into a stacked block of carbon nanospheres and graphene sheets through a simple solution process to create a new type of composite cathode material for lithium–sulfur batteries. Transmission electron microscopy and elemental mapping analysis confirm that the as‐prepared composite material consists of graphene‐wrapped carbon nanospheres with sulfur uniformly distributed in between, where the carbon nanospheres act as the sulfur carriers. With this structural design, the graphene contributes to direct coverage of sulfur to inhibit the mobility of polysulfides, whereas the carbon nanospheres undertake the role of carrying the sulfur into the carbon network. This composite achieves a high loading of sulfur (64.2 wt %) and gives a stable electrochemical performance with a maximum discharge capacity of 1394 mAh g^?1 at a current rate of 0.1 C as well as excellent rate capability at 1 C and 2 C. The improved electrochemical properties of this composite material are attributed to the dual functions of the carbon components, which effectively restrain the sulfur inside the carbon nano‐network for use in lithium–sulfur rechargeable batteries.