锂硫电池隔膜修饰材料的研究进展

锂硫电池(LSBs)是一种高理论能量密度(2600 Wh·kg^(-1))的储能器件,但反应迟滞以及多硫化锂(LiPS)的穿梭等问题严重限制了LSBs的发展。目前广泛认为,隔膜修饰层的功能化改性可以显著地提升LSBs的电化学特性。因此,主要综述了近年来LSBs隔膜修饰材料的最新进展,分别总结了金属类材料、框架材料、聚合物材料以及预锂化材料等隔膜修饰材料的作用机理及其LSBs实操储能性能,并讨论了理想的隔膜修饰材料,旨在为未来LSBs实际应用材料的开发利用提供有益的参考。

二碲化钛的合成及隔膜修饰研究

多硫化物穿梭效应是阻碍锂硫电池实用化进程的诸多因素之一,隔膜修饰的方法可以有效抑制锂硫电池中多硫化物的穿梭效应,提高电池的循环稳定性。采用简单固相法制备二碲化钛,并用其对锂硫电池的隔膜进行修饰,进行了一系列物化表征和电池电化学性能测试。测试结果表明,在0.2 C的倍率下,二碲化钛修饰隔膜电池的首次放电比容量为1197 mAh·g^(-1),经100次循环后,放电比容量仍能保持到787 mAh·g^(-1),电池循环后金属锂表面腐蚀较弱,二碲化钛对多硫化物有一定的吸附和催化能力,可以有效阻挡多硫化物的穿梭效应,提升了电池的循环稳定性。希望为锂硫电池中隔膜修饰提供新思路。

中空碳双面修饰的隔膜在高性能锂硫电池中的应用

为减少多硫化锂(LIPs)“穿梭效应”及锂枝晶对锂硫电池的影响,采用刮涂法制备中空碳材料修饰隔膜。接触角测试表明修饰隔膜对LIPs具有更强的吸引力,其对LIPs“穿梭”的有效抑制也可以通过渗透性实验进一步得到印证。在隔膜的正极对称电池测试中,电流响应显示中空碳材料的催化使LIPs快速转化为Li2S。通过隔膜的负极对称电池测试发现修饰隔膜呈现出更稳定的电压-时间曲线。为证明隔膜修饰对锂硫电池性能改进的效果,分别采用聚丙烯(PP)隔膜、单面改性和双面改性的PP隔膜组装成纽扣电池并进行电化学测试,其中电极材料的硫负载量为1.8~2.0 mg·cm^(-2)。GITT(恒电流间歇滴定法)测试和锂离子扩散系数计算表明,改性隔膜的离子传输更快且阻抗较小。通过分析第1、5、10、50及100次的充放电循环阻抗谱图发现,中空碳材料的多通道能够为锂离子的传输提供更多的通道,因此能够使锂离子具有更加稳定的扩散行为。在电流密度为0.2C时,由双面改性隔膜组装的锂硫电池在首次充放电时有1035 mAh·g^(-1)的可逆比容量,700圈后仍有500 mAh·g^(-1)的高比容量,并在高硫负载时表现出500 mAh·g^(-1)的可逆比容量。双面修饰隔膜赋予了锂硫电池优异的电化学性能,这是由于中空碳材料的修饰加速了LIPs的转化和吸附,有效缓解了LIPs的穿梭效应,且对锂枝晶有很好的抑制作用,提高了锂硫电池的安全性。

负载无定型Fe纳米颗粒的掺氮碳笼修饰隔膜对锂硫电池电化学性能的影响

为了抑制多硫化物的穿梭效应并提高锂硫电池充放电过程的可逆性,本文以Fe掺杂的ZIF-8为前驱体,通过高温碳化合成了一种多孔富氮碳笼担载的无定型Fe纳米颗粒(Fe-CNx),并将其作为锂硫电池隔膜改性层.结果表明,Fe-CNx表面的Fe原子和N原子分别与多硫化物中的S原子和Li原子发生键合作用,从而限制了LiPS的扩散和穿梭.Fe原子的引入降低了多硫化物转化反应的过电势,加快了氧化还原动力学.采用Fe-CNx隔膜的锂硫电池在0.2C倍率下循环100次后,电池的放电比容量仍然能维持在初始容量的94.3%,即使在3.0C高倍率时也能表现出高达660 mA·h/g的高比容量,经过1.0C倍率下800次的长循环后剩余比容量依旧达到了603.2 mA·h/g,表现出优异的电化学性能.

CoSe_(2)/C复合电催化材料修饰隔膜对高载量锂硫电池性能的影响

以具有菱形十二面体结构的ZIF-67为模板,采用两步烧结法合成了CoSe_(2)/C复合材料,CoSe_(2)纳米颗粒直径约30 nm,均匀分散在碳骨架上.电化学测试结果表明,CoSe_(2)/C复合材料在放电过程中可以加快可溶性聚硫离子的还原反应动力学,还能够促进不溶性Li_(2)S的沉积过程,同时加速充电过程中Li_(2)S的氧化分解.将CoSe_(2)/C作为电催化材料与碳材料混合后用于隔膜修饰,修饰层面载量仅为0.15 mg/cm^(2),其中CoSe_(2)/C的质量分数仅占30%时,电池依然表现出优异的电化学性能;当硫载量为4.8 mg/cm^(2)时,在0.2C倍率下电池初始放电比容量为756 m A·h/g,经过180次循环后,容量依然能够维持715 mA·h/g,每次衰减率仅为0.031%.

闪锌矿结构的硫化锌修饰隔膜在锂硫电池中的应用

锂硫电池作为新一代锂二次电池拥有更为广阔的发展前景,但其本身也存在一定缺陷。例如,发生在锂硫电池内部的穿梭效应,严重影响了电池的电化学性能。采取适用于工业化生产的简单方法,一步固相法合成硫化锌(ZnS),将其用于隔膜的表面修饰。结果表明,合成的ZnS是闪锌矿结构,具有不规则的块体形貌,将其涂布在隔膜正极侧表面能够有效抑制锂硫电池的穿梭效应,改善电化学循环寿命,0.1C下首次放电比容量为1090mAh/g, 1C倍率下为600mAh/g,在0.5C下,可以稳定循环1000圈,平均每圈衰减率仅为0.057%。

五氧化二铌复合氮掺杂碳修饰的新型锂硫电池隔膜及其性能研究

由于高理论比容量和高能量密度以及环境友好等优势,锂硫电池被视为最具潜力的下一代储能器件.然而,充放电过程中多硫化物溶解造成的穿梭效应,会导致电池容量和循环寿命迅速衰减.对传统商业隔膜进行修饰改性是提升锂硫电池综合性能的一个重要途径.在此,通过五氧化二铌复合氮掺杂碳(CN/Nb_(2)O_(5))材料来对隔膜进行修饰以提高电化学性能.Nb_(2)O_(5)与多硫化物之间的强相互作用和优异的催化性能,能够作为多硫化物有效的阻挡层,从而抑制穿梭效应.氮掺杂碳具有优异的导电性,可以作为额外的电流收集器来增强多硫化物氧化还原反应.因此,带有CN/Nb_(2)O_(5)复合材料改性隔膜的锂硫电池表现出优异的倍率性能和循环性能.

木质素分子在储能器件中的应用研究进展

木质素是一种绿色环保、低成本的不规则酚类聚合物,其结构中富含羟基和甲氧基等官能团,并且可以从造纸工业的副产品以及农林废弃物中大量获取,因此在各行各业中具有巨大的应用潜力。在储能领域,大量的研究报道了木质素作为可再生碳源制备用于储能装置的电极材料。近年来,越来越多的研究关注了木质素结构中丰富的官能团结构,并充分利用官能团性质将其应用于储能设备,如:利用羟基的亲水性将木质素应用于液流电池的膜结构中提高膜的质子传导率,利用酚-醌结构的可逆变化增加超级电容器的赝电容,利用与苯环共轭的发色基团对太阳能电池光电化学界面进行调控与敏化,利用木质素结构高电荷密度的含氧官能团改善锂离子电池存储的不稳定性,利用木质素分子中丰富的碳和杂原子官能团制备电极从而提高燃料电池的电化学性能。基于木质素分子的官能团结构和性能特点,概述木质素分子对超级电容器、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、液流电池等主流储能器件电化学性能的提升作用和代表性应用,认为最大化保留木质素分子的官能团并将其应用于电化学器件,可以实现木质素分子的多功能化应用,充分发挥木质素基团的特点以提高储能设备的电化学性能。最后,总结归纳了木质素分子应用于储能材料所面临的困难与挑战,展望了木质素分子应用于储能材料未来可能的发展前景和研究方向,以期为设计和开发低成本、高电化学性能的木质素基储能材料提供参考。

中空多壳层结构TiN修饰隔膜对锂硫电池性能的增强

锂硫电池(lithium-sulfur(Li-S)batteries)具有远高于锂离子电池的理论比容量.然而,硫的导电性差,充放电过程中体积变化剧烈,其放电中间产物易溶于电解液并穿过隔膜,造成穿梭效应,导致锂硫电池的实测比容量低、循环寿命短.本文设计构筑了中空多壳层结构氮化钛(TiNHoMS),作为锂硫电池隔膜修饰材料,有效解决了上述难题.氮化钛具有优异的导电性,能够催化硫和多硫化锂的氧化还原转化.HoMS具有多个壳层和多层内部空腔,能提供多重空间阻隔和丰富的多硫化锂吸附位点,从而有效抑制穿梭效应,并且能够缩短电子/离子传输路径.得益于此,采用三壳层TiNHoMS修饰隔膜的锂硫电池性能显著提高,远优于采用未修饰隔膜电池的性能.测试结果表明,在1 C电流下,初始比容量由642 mAh/g提高到1134 mAh/g,而且300次循环后比容量仍保持在792 mAh/g.通过一系列电化学表征分析发现,TiNHoMS提高了隔膜对电解液的浸润性,催化了硫正极的氧化还原反应,抑制了多硫化锂的穿梭效应,从而有效地提高了锂硫电池的比容量和循环稳定性.

羟基化纳米多孔碳改性锂硫电池隔膜的研究

锂硫电池作为新一代二次电池拥有超高的理论能量密度,为解决其穿梭效应引起的容量快速衰减的问题,通过在隔膜上修饰一层功能性的中间层来抑制穿梭效应是简单而行之有效的方法,本文研究了羟基化纳米多孔碳中间层材料及其构效关系,实验得出使用孔径为100 nm的羟基化多孔碳材料NPC-100能够有效的抑制穿梭效应,提升电池循环性能。

锂硫电池改性隔膜应用进展

根据不同改性隔膜材料的特点,总结了碳材料、聚合物、金属氧化物和其他新型材料在锂硫电池中的研究进展,对已报导的改性隔膜的电化学性能进行分析,探究了改性隔膜材料的作用机理、物理限域及化学键合对抑制多硫化物扩散的协同作用机制,提出了高性能改性隔膜的设计规律,并对采用隔膜的锂硫电池的发展前景进行了预测。

碳基材料修饰聚烯烃隔膜提高锂硫电池性能研究

采用硫单质作正极和金属锂为负极组成的锂硫(Li⁃S)电池具有很高的理论比能量(2600 Wh·kg^(-1)),被认为是一种具有广泛应用前景的二次电池。其中,正极硫具有高的理论比容量(1675 mAh·g^(-1)),储量丰富且环境友好。然而,硫较差的导电性、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶生长等导致了Li⁃S电池在循环过程中容量衰减快、库仑效率低和安全隐患等问题,严重阻碍了其大规模应用。通过隔膜修饰提高Li⁃S电池的性能是一种有效的方法,近年来取得了很大进展。碳材料是较常见的一种隔膜修饰材料,本文综述了近年来常见碳材料及碳基复合材料用于修饰Li⁃S电池隔膜进而改善电池性能方面的研究进展,重点介绍了修饰层的设计及提升Li⁃S电池容量的机理。

碳基复合材料中间层在锂硫电池中的应用研究

锂硫电池因其高的理论容量和能量密度,在新一代能源存储设备中备受关注,但其仍然存在诸多不足,阻碍了其进一步的商业化进程。本文主要介绍了几种碳基复合材料中间层在锂硫电池中的应用,以及对未来的展望。

纳米铁酸锌修饰隔膜实现金属锂负极的高稳定性

金属锂负极具有极高的比容量和极低的氧化还原电位,被认为是锂离子电池负极材料的“圣杯”.然而,其低的库伦效率和充放电过程中难以避免的锂枝晶的产生一直阻碍着它的实际应用.为此,提出了利用纳米铁酸锌与多孔碳复合修饰商业的聚乙烯隔膜构筑金属锂负极的保护层(ZnFe_(2)O_(4)@PE),以实现锂金属负极的稳定循环.复合层中的多孔碳能够有效的减小局部电流密度、缓解充放电过程中巨大的体积变化.更重要的是,具有良好亲锂性的纳米铁酸锌能够引导锂离子均匀的沉积,抑制了锂枝晶的生长,实现了金属锂负极250 h稳定的循环,为金属锂负极应用提供了有效的策略.

锂硫电池功能化隔膜材料的设计与性能研究

运用密度泛函理论对修饰锂硫电池隔膜的18种杂环化合物材料进行了对比筛选.研究发现,对于多硫化物的固定,含O/S杂环属于弱固定材料,含N杂环属于中/强固定材料.综合各种因素,哒嗪成为最理想的隔膜修饰材料,对多功能隔膜修饰材料实验上的设计合成具有重要指导意义.

金属锡辅助阻隔多硫化锂实现锂硫电池长循环稳定性

用碳修饰隔膜抑制锂硫电池中的飞梭效应并改善其电化学性能是一种简单有效的方式.然而,碳材料与多硫化锂之间弱的相互作用影响了修饰隔膜的作用.因此,提出将金属锡注入到多孔碳中制备了金属锡/碳复合物(C@Sn),并将其涂敷在常规的聚丙烯(PP)隔膜上用作锂硫电池的隔膜(C@Sn-PP).氮气吸附发现,金属锡注入减小了多孔碳的孔尺寸,增强了其阻隔多硫化锂的能力.此外,自身快速的锂离子传输速率有利于氧化还原反应动力学.这些优势实现了锂硫电池高的倍率性能(2 C容量为749.2 mAh/g),同时可以稳定循环300个周期.这个策略为碳修饰隔膜在锂硫电池中的应用提出了新思路.