抑制穿梭效应的锂硫电池隔膜研究进展

锂硫电池因其高比容量和高能量密度、环境友好等优点在新型锂电池研究中掀起热潮。然而锂硫电池内部严重的多硫化锂穿梭效应导致电池寿命缩短及库仑效率降低,极大地阻碍了其实际应用。许多研究表明,通过对隔膜进行合理设计和改性可以有效抑制多硫化物的穿梭。抑制穿梭的方法可分为物理阻断、化学吸附和催化。在众多隔膜材料中,碳材料因其电导率高、比表面积大、孔径可调而备受关注,但它们的非极性使其无法与极性的多硫化物产生强的相互作用,因此可对碳材料进行杂原子掺杂或引入官能团,或与极性组分复合成高极性的复合材料,以增强对多硫化物的吸附和快速转化。从锂硫电池的结构和工作原理展开介绍,并针对碳基材料、非碳的极性材料、碳基复合材料这三类功能材料,重点评述了基于商用多孔隔膜功能化的解决穿梭效应的最新进展,最后对锂硫电池隔膜的未来进行了展望。

金属氧化物/炭复合材料抑制锂硫电池穿梭效应的研究进展

锂硫电池因理论能量密度高、生产成本低和环境友好等优点被认为是最有前途的下一代电化学储能装置之一。然而,硫和硫化锂的低导电性、严重的穿梭效应和缓慢的反应动力学等问题阻碍了锂硫电池的大规模商业化应用。炭材料因高比表面积,良好导电性与结构多样性而备受关注,然而非极性炭材料难以与极性多硫化物紧密结合,导致活性材料大量损失和严重的穿梭效应。金属氧化物具有极性强和丰富吸附位点的优点,将过渡金属氧化物与炭材料结合,有助于增强对多硫化物的化学吸附和电化学反应活性。本文首先介绍了锂硫电池的基本原理和存在的主要问题,然后讨论了近年来过渡金属氧化物/炭复合材料在合成方法和结构设计(1D,2D,3D)方面的研究进展。此外,详细介绍了异质结构设计、空位工程和晶面调控策略的代表性工作并讨论了其机理。最后,对过渡金属氧化物/炭复合材料用于锂硫电池中的发展进行了总结和展望。

双钙钛矿抑制锂硫电池穿梭效应的实验设计

该文设计了La_(2)CoMnO_(6)双钙钛矿氧化物应用于锂硫电池抑制穿梭效应的研究型综合实验。实验通过溶胶凝胶法制备La_(2)CoMnO_(6)双钙钛矿氧化物,并首次将其用作锂硫电池正极添加剂。通过La_(2)CoMnO_(6)对多硫化锂的静态可视化吸附实验、催化实验以及锂硫电池电化学性能测试,考察了该添加剂对多硫化锂穿梭效应的抑制效果及机制。该实验有助于激发学生的创新精神和科研兴趣,培养综合运用所学理论知识进行科学研究和解决实际问题的能力。

锂硫电池的穿梭效应与抑制

锂硫电池因其超高的理论比容量(1675 mA·h/g)和能量密度(2600 W·h/kg),已成为目前锂电池研究的热点和重点。但是,锂硫电池的发展依然受到很多因素的制约。其中,穿梭效应是造成锂硫电池性能衰减的主要原因之一:一方面,大量中间产物多硫化锂溶解在电解液中以及不溶性产物Li_2S_2/Li_2S沉积在负极上,降低了活性物质的利用率,造成电池容量衰减;另一方面,穿梭会导致充电时电池发生严重过充,降低库仑效率;此外,穿梭还会引起金属锂表面的腐蚀反应。本文介绍了锂硫电池的穿梭机理,从物理作用和化学作用两方面综述了近年来锂硫电池中抑制穿梭效应的研究进展,具体涉及正极、电解质、负极等关键材料的设计与优化,并着重介绍了物理作用抑制穿梭的进展情况,最后简要评述了锂硫电池的研究现状并对其未来进行了展望。

多壁碳纳米管夹层抑制锂硫电池穿梭效应

以多壁碳纳米管(MWCNTs)薄膜作为锂硫电池正极片与隔膜之间的夹层,可抑制多硫化物的溶解和扩散,阻止穿梭效应,减小活性物质的损失,提高锂硫电池的容量和循环性能。本文利用透射电子显微镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等进行结构和性能的表征。电化学测试结果表明,含MWCNTs夹层的锂硫电池在0.2C倍率首次放电比容量达到1352m A·h/g,首次库仑效率接近100%,循环20次后比容量还保持在1028m A·h/g。在1C、2C和5C倍率下充放电,电池比容量分别达到902m A·h/g、782m A·h/g和509m A·h/g。

利用二硫苏糖醇夹层抑制锂硫电池的穿梭效应

为了抑制锂硫电池的穿梭效应,改善锂硫电池的电化学性能,尝试以二硫苏糖醇(DTT)为剪切剂,对高阶多硫化物进行剪切以阻止其溶解。将二硫苏糖醇(DTT)掺入多壁碳纳米管(MWCNTs)纸中,制得DTT夹层,将该DTT夹层置于锂硫扣式半电池正极片和隔膜之间,正极片的载硫面密度约为2 mg/cm2。SEM观察结果证实DTT均匀分散在MWCNTs纸的表面和空隙中。电化学测试结果表明引入DTT夹层结构的锂硫电池在0.05C倍率首次放电比容量达到1 288 mAh/g,首次库伦效率接近100%,在0.5C、2C、4C倍率下充放电时的比容量分别达到650mAh/g、600mAh/g、410mAh/g。DTT夹层结构的引入可有效剪切高阶多硫化物并阻止其迁移到锂负极,从而抑制穿梭效应,改善锂硫电池的循环稳定性和库伦效率。

二硫苏糖醇/多壁碳纳米管阻隔层抑制锂硫电池的穿梭效应

二硫苏糖醇(DTT)作为剪切剂,对高阶多硫化物进行剪切阻止其溶解,抑制穿梭效应的产生。以二硫苏糖醇(DTT)和多壁碳纳米管(MWCNTs)复合薄膜作为锂硫电池正极片与隔膜之间的阻隔层,抑制多硫化物的溶解和扩散,阻止穿梭效应,减小活性物质的损失,提高锂硫电池的容量和循环性能。利用透射电子显微镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等进行结构和性能的表征。电化学测试结果表明,含DTT/MWCNTs阻隔层的锂硫电池在0.2C倍率首次放电比容量达到1674mAh/g,活性物质的利用率达到99.9%。在1C充放电300次循环后,容量依然保持在780mAh/g,是首次放电容量1094mAh/g的71.3%,且库伦效率保持在95.3%以上。在5C和10C倍率下充放电,电池比容量分别达到597和214mAh/g。

基于LLZO的复合电解质对Li-S电池穿梭效应的抑制

相对于传统锂离子电池,锂硫电池具有高比容量、高能量密度、环境友好等特点,因而在作为未来的动力电池和储能电池上被寄予厚望。但是,目前的锂硫电池存在穿梭效应、硫利用率低、充放电体积变化大等问题。本工作主要针对硫的穿梭效应、硫在负极材料沉积等问题开展研究。首先制备出室温离子传导率为6.4×10^(-4) S/cm的含锂石榴石(LLZO)固态电解质;再引入LLZO固态电解质作为隔膜,使用石墨烯气凝胶复合硫正极组装电池进行测试。充放电循环测试结果表明,该电池结构可以解决锂硫电池难以有效充电的问题,获得了接近100%的库仑效率。此外,采用XRD、SEM等检测手段分析了充放电循环后LLZO隔膜的微观物相结构,证明了LLZO能够有效阻挡多硫化物,抑制穿梭效应。

细菌纤维素/科琴黑复合隔膜制备及对锂硫电池穿梭效应抑制的研究

将科琴黑(KB)涂布到绿色、环保、可降解的细菌纤维素(BC)膜上,得到了细菌纤维素/科琴黑复合(BCK)隔膜。结果表明,BCK隔膜集合了BC膜较小的孔径、层状结构与KB大比表面积、导电性优异的特点,不仅具有优异的热稳定性和良好的电解液润湿性,而且很好地抑制了锂硫电池的穿梭效应。BCK基电池在0.1 C电流密度下的初始比容量为1362 mA·h/g,远高于聚丙烯(PP)基电池958 mA·h/g的初始比容量,并且在经历100个循环后,BCK基电池的放电比容量依然高于PP基电池。

锂硫电池隔膜在不同抑制“穿梭效应”策略中的研究进展

锂硫电池因为具有极高的能量密度和理论比容量,而且作为正极主要材料的单质硫储量丰富、生产成本较低,被认为是未来储能领域中最具应用前景的一类电池。但是在其实际应用之前还有一些技术难题亟待解决,比如活性材料硫的导电性差、正极体积膨胀、穿梭效应等问题严重影响了电池的循环稳定性,尤其是可溶解的长链多硫化物中间体在正极与负极之间来回迁移引起的“穿梭效应”。隔膜作为锂硫电池的关键内层组件,处在正极和负极之间,是抑制多硫化物穿梭的重要屏障,然而目前市场上商用的聚烯烃类隔膜存在较大的孔径,多硫化物容易从中穿过,而且这类隔膜也不具备捕捉多硫化物的能力,因此需要设计具有抑制多硫化物穿梭的功能性隔膜来提升锂硫电池的综合性能。本工作根据多硫化物与隔膜涂层之间的相互作用,将抑制多硫化物穿梭的方法进一步分为物理限制和化学限制,主要介绍了聚丙烯基以及新型纤维素基两类隔膜的研究进展,最后对具有抑制多硫化物穿梭功能的锂硫电池隔膜未来的发展方向进行了展望。

锂硫电池中抑制穿梭效应和锂枝晶的近期进展

锂硫电池具有突出的高比容量、环境友好、原材料廉价易得等特点,是未来新能源的一个选择方向。首先介绍了锂硫电池的研究背景以及放电原理,然后分别在电池的隔膜和负极2个方面叙述了抑制穿梭作用和抑制锂枝晶的最近进展,并且对未来锂硫电池的发展进行了展望。

锂硫电池穿梭效应抑制及解决途径的研究进展

从物理限制、化学吸附和电催化作用等方面,对近年来抑制锂硫电池穿梭效应的研究进展及解决途径进行综述。指出加快多硫化物的催化转化是解决该现象的有效手段。

NMAP夹层抑制锂硫电池穿梭效应

利用水热合成法制备纳米NiO与多壁碳纳米管(MWCNTs)以及芳纶纸(AP)制备出一种新型复合夹层(NMAP)。NMAP夹层具有三维多孔结构,不但减小了活性物质的损失,还可以捕获可溶性多硫化物;NMAP夹层具有较强的化学吸附聚硫化物的能力。利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等对复合夹层进行结构和性能的表征。电化学测试结果表明,NMAP夹层高性能锂硫电池在0.05C倍率下首次放电比容量达到1437 mAh·g^-1,活性物质的利用率高达85.8%;在4C大倍率下放电比容量仍然达到668 mAh·g^-1,且库伦效率仍然保持在99.1%;显示出良好的倍率和循环性能。

三(2-羧乙基)膦阻隔层对锂硫电池穿梭效应的抑制

为了抑制热力学穿梭效应,改善锂硫电池的电化学性能.将三(2-羧乙基)膦芳纶纸中间层(TCEP-AP)嵌在锂硫电池正极和隔膜之间.通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱和元素能谱分析(EDS)等对材料进行结构和性能表征.电化学实验表明,TCEP是一种特别有效的多硫化物剪切剂,在0. 1C倍率时,S-TCEP-AP锂硫电池的初始放电容量达到1544 m A·h·g^-1.在1C倍率下循环400次后,比放电容量仍维持在609 m A·h·g^-1,衰减率极低(每周衰减0.029%),展现出良好的倍率和循环性能.

石墨烯及其复合材料在锂硫电池中抑制穿梭效应的应用进展

硫锂电池具有比能高达1675 mAh g^(−1)、价格低廉、环保等优点,是一种具有良好应用前景的二次电池。但由于放电过程中多硫化物溶解产生的穿梭效应、硫的绝缘和硫电极的体积膨胀等原因导致锂硫电池的循环稳定性还不能满足工业化要求。石墨烯具有优异的导电性、超大的比表面积、良好的机械柔韧性和热化学稳定性,因此石墨烯及其衍生物成为全固态锂硫电池电极和改性隔膜的重要材料。本文综述了在全固态锂硫电池中,石墨烯的网络结构对电子转移非常有利,可以限制硫电极体积膨胀并促进离子迁移;同时作为改性隔膜的首选材料之一,石墨烯及其衍生物的六边形层状结构形成的锂离子输运通道能够捕获硫。总结了石墨烯及其衍生物抑制穿梭效应的机制,提出了石墨烯在锂硫电池中的发展策略和前景。

利用电场力抑制多硫化锂穿梭效应

介绍了一种Ti_(x)O_(y)-Ti_(3)C_(2)ene材料,能有效阻止多硫化锂穿梭效应,最终提高锂硫电池性能.利用定向排列材料产生的偏转电场,电场力能够有效抑制穿梭效应,减少电池活性物质损失.用HF刻蚀Ti_(3)AlC_(2),得到二维片层状Ti_(3)C_(2)ene.利用氧化法即可制备Ti_(x)O_(y)-Ti_(3)C_(2)ene材料,超声剥离后制得Ti_(x)O_(y)-Ti_(3)C_(2)ene纳米片层,电沉积法定向排列纳米片层.为了验证弯曲电场力的产生,采用Comso建立Ti_(x)O_(y)-Ti_(3)C_(2)ene模型,该方法可以有效抑制穿梭效应.

中空碳/聚丙烯脂纳米球双重限制锂硫电施的穿梭效应

近年来,锂硫(Li-S)电池以其高的理枪能量密度成为下-'代高比能二次电池的最佳候选者之一。然而,由于硫及其放电产杨的导电性妾遥成电化学反应动力学缓慢,中间多硫化场的穿梭玫使硫正极的家量快速衰减,这严重阻碍了锂硫电池的卖际应用化进程。在这项工作中,我们设计了一种•金心碳.@硫/聚丙烯<(HCN@S-PAN)正极材料,在提高硫正极导电性的同时,对多硫化杨的穿梭进行双重限制。中空碳纳采球(HCN)作为硫的储存彖,不但能够提高导电性,也能在一定程度上捕获多硫化杨。含有锂盐的PAN层进一步阻止多硫化场迁移,同时提供快速的锂离子佟输路徑。所合成的具有双重限制作用的HCN@S-PAN正极材料在0.5C下200次循环后表现出622.3 mAh•g"稳定的放电比彖量,与具有单限制正极材料的电池相比,200周循环的哀量保持率增加了34.9%。这种双重限制结构有效地抑制穿梭效应从而卖现高比能量Li-S电池。

羟基化多壁碳纳米管掺杂抑制锂硫电池的穿梭效应

为了抑制锂硫电池的"穿梭效应",改善锂硫电池的电化学性能。正极片掺杂羟基化多壁碳纳米管(MWCNTs—OH),利用亲水性羟基官能团对多硫化物的吸附作用,阻止多硫化物的扩散,增加有效物质的利用率,抑制穿梭效应的产生,提高锂硫电池的容量和循环性能。利用TEM、SEM和EDS等进行结构和性能表征。电化学测试结果表明,掺杂MWCNTs—OH的锂硫电池,放电容量明显提高。在0.1C倍率,首次放电比容量达到1 281mAh/g,首次库伦效率接近96.7%,循环10次后比容量还保持在882mAh/g。在0.2C、0.5C和1C倍率下充放电时,电池首次放电比容量分别达到794.2mAh/g、712.2mAh/g和557.3mAh/g,显示出极佳的倍率性。

二维材料修饰隔膜抑制锂硫电池穿梭效应策略

锂硫电池具有高理论比容量(1675 mAh/g)和高能量密度(2600 Wh/kg),被认为是极具应用潜力的电池体系,因此被广泛研究和关注。然而硫的导电性差、利用率低以及多硫化物的穿梭效应等问题使得锂硫电池的循环性能不理想。为了克服穿梭效应的影响,近年来很多研究工作集中在功能隔膜的设计制备研究方面,通过修饰的隔膜抑制穿梭效应,提高Li-S电池循环稳定性。本文总结了二维(2D)材料修饰隔膜方面的最新研究进展,并对未来的研究方向提出了思考并进行了展望。

水系锌碘电池穿梭效应的改进策略研究进展

水系锌碘电池因其高理论比容量、高能量密度、优异的倍率性能、丰富且低廉的原料和高安全性等特点,而被认为是未来电能存储领域最具前景的候选储能器件之一。然而,多碘离子的穿梭效应严重影响其自放电性能、Coulombic效率和循环寿命,进而限制了其大规模应用。首先介绍了水系锌碘电池的结构、储能机理及其穿梭效应产生的原因,随后从正极、电解液和隔膜3个方面详细综述了水系锌碘电池穿梭效应的抑制策略,最后总结了当前水系锌碘电池存在的问题并提出了展望,以期为加快推进水系锌碘电池产业化提供借鉴。