基于Fe/Fe_(3)O_(4)双相催化剂的高性能硫正极

针对锂硫电池中硫正极所面临的导电性差、体积膨胀、多硫化物穿梭和制备成本高等问题,利用绿色且低成本的重金属离子絮凝剂吸附金属离子来制备Fe/Fe_(3)O_(4)-C硫正极载体材料。形貌和结构分析表明,复合材料的三维碳结构上有Fe和Fe_(3)O_(4)均匀分布。负载硫后得到的Fe/Fe_(3)O_(4)-C-S电极具有优异的电化学反应动力学,在0.1C、0.2C、0.5C、1.0C倍率下分别表现出高达908、640、524、438 mAh·g^(-1)的比容量,在0.1C倍率下循环100圈后依然能够保持62.9%的初始容量。由此可见,Fe/Fe_(3)O_(4)-C复合材料中的三维碳结构既能提高导电性,也能缓解硫的体积膨胀,而Fe/Fe_(3)O_(4)双相催化剂可以高效地吸附多硫化物并促进其转化,从而抑制了穿梭效应。

碳材料作为锂硫电池硫正极基质研究进展

在过去30年,锂离子电池彻底改变了便携式电子产品,并于2019年获得了诺贝尔化学奖。目前,锂离子电池的能量密度已接近极限,因此开发超越锂离子化学的新电池技术对下一代高能量存储具有重要意义。锂硫电池依赖于锂和硫之间的可逆氧化还原反应。与现有的锂离子电池相比,因其具有压倒性的能量密度,它似乎是一种可以取代传统锂离子电池的下一代储能系统。近60年,特别是近10年来,锂硫电池在学术和商业上都取得了重大进展。自20世纪60年代首次提出硫正极的概念,到目前用于无人机的商用锂硫电池,它的故事充满了突破和回溯。从碳基硫正极基质设计方面总结了锂硫电池的发展与进步。

不同管径多壁碳纳米管与硫含量对锂硫电池单质硫正极电化学性能的影响

采用分段加热法合成了不同管径、不同硫含量的单质硫一多壁碳纳米管（S-MWCNT）复合材料，利用电化学方法、SEM、TEM、比表面吸附等分析方法，筛选出以10～20mm直径的MWCNT为核，质量分数85％硫为壳的最优化条件下的复合材料。SEM测试显示单质硫均匀填充到MWCNT的中空管和层间的孔中形成了结构稳定的复合物。在最优化的条件下，复合材料首次放电比容量达1272．8mAh·g-2，活性物质利用率为76．0％，循环至第80周时放电容量还保持在720．1mAh·g-2，容量保持率高达64．4％。与未添加MWCNT的单质硫电极相比，硫复合电极活性物质的利用率和循环性能都得到了较大的改善。

三聚磷腈复合硫正极材料性能的改进研究

采用加热法,将三聚磷腈复合硫(TPS)正极材料与介孔炭复合,以期望改善电极性能。扫描电子显微镜显示TPS具有与硫不同的表面形貌,接触角测定表明水滴与TPS表面的接触角为35°,而硫表面的接触角为115°,XRD和IR测定证明TPS结构特征为表面经过磷腈基团修饰的硫。复合介孔炭后,TPS电极性能改善,在10mA/g的充放电电流下,其首次放电容量为767mAh/g,第二周容量保持率为84.8%,30次循环后容量为303.8mAh/g。

锂离子电池硫正极材料改性研究进展

综述了高能Li/S二次电池含硫正极材料改性研究的最新进展。指出:优化电解液的组成、提高金属锂负极的界面稳定性能是改善Li/S电池循环稳定性能的重要措施;制备粒度分布均匀的导电纳米硫/碳复合材料是今后硫正极材料研究的发展方向。

锂硫二次电池硫正极复合材料的改性研究进展

在能源问题日益严重的今天,硫正极材料探索与研究越来越受到人们的关注。主要从硫/纳米金属氧化物、硫/导电高聚物、硫/碳、硫/碳/导电高聚物4个方面综述了各种硫正极复合材料的优缺点、制备及改性的方法,重点介绍了不同的复合材料对电化学性能的影响,为新型硫正极材料的制备和改性指明了方向。

锂硫电池复合硫正极中客体材料与多硫化物的相互作用

随着人类社会对高效电化学储能器件需求的不断增加,具有高理论能量密度和低成本的锂硫电池成为下一代最具潜力的锂二次电池之一。然而,锂硫电池的实际应用仍然存在很多问题,如循环寿命短、库仑效率差、自放电等。产生这些问题的主要原因是发生在电池放电过程中的多硫穿梭效应。为了解决这些问题,国内外学者进行了大量研究,特别是在利用复合正极材料中客体碳基材料的结构设计及电极材料的功能修饰来改善电化学性能方面,取得了很大进展。本文回顾了近年来应用于锂硫电池的各种纳米结构正极材料的基础研究及技术发展,包括其制备、结构、形貌及电池性能等。根据复合硫正极中客体材料与多硫化物的相互作用,将复合硫正极材料分为物理吸附材料和化学吸附材料两大类,深入分析了作用机理及性能提高的作用规律,并在此基础上,展望了锂硫电池正极材料将来可能的发展方向。

金属单原子催化剂增强硫正极动力学的研究进展

单质硫具有理论能量密度高(2600 Wh·kg^(−1))、放电比容量高(1672 mAh·g^(−1))、成本低等优势,是锂硫电池的理想正极材料。然而,在充放电过程中硫正极迟缓的反应动力学显著地限制了锂硫电池的性能。金属单原子催化剂(SMACs)具有独特的电子结构、金属含量低、理论上100%的原子利用率、催化活性高等优势,其不仅有效地促进了不同中间相的转化反应,而且可为含硫物质提供丰富的锚定位点,从而显著优化硫正极氧化还原反应动力学、多硫化物的穿梭行为和锂硫电池电化学性能。本文以剖析金属单原子催化剂与硫正极间的相互作用为出发点,结合其催化效应表征技术,重点解析了不同类型单原子催化剂的构筑策略、活性调控及其优化硫正极氧化还原行为的机制,展望了金属单原子催化剂在锂硫电池领域面临的挑战和未来发展方向。

金属-有机骨架(MOFs)用于锂硫电池硫正极材料改性的研究进展

随着便携式电子设备和电动汽车的发展,目前广泛使用的锂离子电池已不能满足市场的需求,锂硫电池作为一种非常有前途的高能化学电源,因其高理论比容量(1675 mAh·g^(-1))和高理论能量密度(2600 Wh·kg^(-1))引起了研究者的广泛关注。然而,在锂硫电池的发展过程中,一些突出的问题制约了其发展,包括硫本征导电性差、充放电前后体积变化大、较差的循环稳定性以及生成的多硫化物易溶解等。相关研究表明,将硫与金属-有机骨架(MOFs)材料复合,构筑成具有特殊微观结构的复合正极材料,可显著改善其导电性、循环稳定性和多硫化物的溶解等问题。本文从锂硫电池的工作原理出发,总结了MOFs作为硫载体的优势特点,综述了近几年MOFs材料在锂硫电池正极方面的研究进展,最后对锂硫电池MOFs基正极材料未来的研究思路与发展趋势进行了分析和展望。

生物质炭基硫正极材料的制备及其电化学性能研究

锂硫电池因较高的理论比容量和能量密度在动力汽车和储能装置等领域具有广阔的应用前景,因此设计制备低成本和高性能的锂硫电池正极材料具有重要研究价值。以廉价易得且可再生的红薯淀粉为生物质碳源,经水热反应、高温石墨化以及碱活化等方法,得到表面富含多孔的碳材料。再将其与硫单质按不同比例混合,通过熔融扩散法制备锂硫电池正极材料。运用X射线衍射、氮气吸附、X射线光电子能谱等手段对材料的表面形貌和结构进行了表征。另外,对利用该材料组装的电池进行电化学测试,结果显示碳/硫比为1∶2时,电池具有更优良的循环及倍率等电化学性能,其在0.1 A g^(-1)下的初始放电容量为1 470.6 mAhg^(-1),恒电流循环300圈后容量为754.6 mAhg^(-1);并在3 C下的放电容量达到864.1 mAhg^(-1)。研究成果为自然界中生物质转化为功能性碳材料提供了一种新思路。

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。

PEG包覆涂层对含碳纤维导电剂的锂硫正极材料的影响

通过球磨混合及聚乙二醇(PEG)包覆处理制备含有高模量碳纤维(HMCF)的硫基复合材料.使用X-射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)测定材料的结构和形貌,使用X-光电子扫描能谱(XPS)验证了PEG在材料表面的包覆,并较系统地研究了PEG含量对含有高模量碳纤维的硫正极比容量、循环稳定性和倍率性能等性能的影响.结果表明,和导电剂乙炔黑(AB)相比,HMCF导电剂具有结晶度高、接触角小、吸液性能好等优点.当PEG涂层量为1.09%时,硫正极初始放电容量为1312.5 mAh·g^(-1),在电流密度为200 mA·g^(-1)充放电时,50次循环以后可逆容量保持为650 mAh·g^(-1),和无PEG涂层相比,循环稳定性提高了39.9%.

CeO_(2)-C复合空心球改性硫正极的电化学性能

本文以酚醛树脂(APF)和六水合硝酸铈(Ce(NO_(3))_(3)·6H_(2)O)为原料,采用无溶剂模板法制备CeO_(2)-C复合空心球,并通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外光谱等测试方法对其进行表征。以商业化导电碳黑作为硫载体,将CeO_(2)-C复合空心球作为添加剂改性硫正极材料,并进行循环伏安(CV)、恒电流充放电、电化学阻抗(EIS)等电化学性能测试。结果表明:CeO_(2)-C复合空心球改性后的硫正极材料具有较好的电化学性能,其在0.2C下的初始放电容量可达到1 125 mAh/g;在1C下循环500圈,每圈的容量损失率仅为0.083%。以商业化导电碳黑作为硫载体,通过添加少量CeO_(2)-C复合空心球改性剂制备硫正极,能够在不改变目前锂硫电池制备工艺的前提下,有效提升锂硫电池的电化学性能,显示出巨大的应用潜力。

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.

高阻燃硫正极的制备及其性能

本工作系统研究了锂硫电池硫正极中添加不同含量的六氯环三磷腈对硫正极阻燃性能和电化学性能的影响。通过燃烧实验,发现六氯环三磷腈的加入可使硫正极表现出优异的阻燃性能。此外,通过借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)技术和电化学性能测试等手段,对比了添加和未添加六氯环三磷腈硫正极循环前后的表面形貌、组成成分和电化学性能。结果表明,当六氯环三磷腈添加量为10%时,硫正极表现出最优的循环性能和库仑效率。在0.2 C电流密度下,硫正极中添加量为10%六氯环三磷腈的锂硫电池在100次循环后放电比容量仍保持在975.2 mAh/g,明显优于硫正极中未添加六氯环三磷腈的锂硫电池。而且,添加六氯环三磷腈的硫正极材料分散均匀,即使循环100次后,也未出现明显的裂纹,阻抗也未明显增加。此外,通过六氯环三磷腈和多硫化锂的反应实验,发现六氯环三磷腈的存在有助于锚定充放电中间产物多硫化锂,进而抑制多硫化锂的穿梭,提升锂硫电池的电化学性能,这为提高阻燃锂硫正极材料的电化学性能提供了新的思路。

铜锌锡硫正极全固态薄膜锂离子电池的研究

采用铜锌锡硫(CZTS)四元硫化物材料作为全固态薄膜锂离子电池(TFLB)的正极功能层。通过磁控溅射及硫化工艺制备了CZTS多晶薄膜,并经过组分调控及硫化工艺控制等方案,提高了CZTS正极薄膜的电子导电性。此外,通过引入疏松的微观结构,抑制了由充放电过程中的体积膨胀所导致的容量衰减,提升了TFLB循环性能。所制得的TFLB结构为玻璃/Mo/CZTS/LiPON/Li,首圈放电容量高达200μAh·cm^(-2)·μm^(-1)(482 mAh·g^(-1)),放电平台约为1.1 V。

锂硫电池碳/硫正极材料制备及其性能分析

近年来,在电动汽车和电子设备等对高性能储能系统的需求量逐渐增加,在较高理论比容量和理论比能量等方面的锂硫电池体系也受到更加广泛的关注和重视。单质硫的储量较为丰富且具有无毒和低成本等优势,对环境保护工作的开展存在着必要影响。但是单质硫及放电产物硫化锂存在着导电性差且中间产物多硫化物容易溶于电解液等问题,对锂硫电池的循环稳定性具有不利影响。在锂硫电池正极材料中,碳/硫复合材料的潜力是比较大的,这就需要加强对其植被及性能考察和研究。

用于Li-S电池硫正极的新型水性粘结剂的研究

设计制备了一种具有三维网络结构的磺酸化b-环糊精聚合物水性粘结剂(b-CDPS-),重点研究了b-CDPS-粘结剂的粘接性能和对锂硫电池电化学性能的影响。结果表明:b-CDPS-粘结剂的粘结强度高于传统商用PVDF粘结剂。另外,相较于使用PVDF的硫正极,使用b-CDPS-的硫正极在循环前后呈现出更加均匀的微观形貌结构和更优的电化学性能。在0.1 C下充放电,100次循环后其放电比容量仍然保持1024 mAh/g。即使在1.5 C下,仍能保持880 mAh/g的放电比容量,远高于PVDF电极467 mAh/g的放电比容量。

锂硫电池过渡金属氧化物/碳/硫正极

提出了由金属-有机骨架材料(MOF)衍生的菱形十二面体NiO-NiCo_(2)O_(4)空心多面体结构包覆还原氧化石墨烯(rGO)作为硫载体的设计方案,极性金属氧化物可以有效吸附多硫化物,抑制穿梭效应,空心结构可以有效缓解电极反应过程中的体积变化,rGO的引入可有效提高电极材料的电导率,促进正极硫的充分反应,进而提高硫的利用率,提高电极材料的电化学性能。在0.5 C电流密度下,S/NiO-NiCo_(2)O_(4)-rGO复合材料循环100次后放电比容量为591 mAh/g,在1 C电流密度下,S/NiO-NiCo_(2)O_(4)-rGO复合材料循环300次后放电比容量为365 mAh/g,较S/C电极有较大提升,同时该材料还具有优异的倍率性能。

锂硫电池正极富氮粘结剂的制备与性能研究

理想的锂硫电池正极用聚合物粘结剂不仅应具有良好的粘附性能,还应有丰富的极性基团以吸附多硫化物,抑制穿梭效应。通过壳聚糖(CS)与含大量氨基的聚乙烯亚胺(PEI)通过氢键作用结合,合成了一种富氮粘结剂(CS&PEI)。结果表明,与未改性的CS粘结剂相比,CS&PEI粘结剂具有更好的粘结性能和对多硫化物的吸附性能。使用CS&PEI粘结剂组装的锂硫电池具有更加优异的倍率性能和长循环稳定性。在0.2 C循环150次后,锂硫电池的比容量仍然保持为814 mAh/g。