硫负载方式调控碳/硫复合材料结构及锂-硫电池性能研究

碳/硫(C/S)复合材料的硫负载方式调控可以改善聚硫化物的穿梭效应,提升锂-硫电池的容量。物理硫负载法容易导致循环过程中硫的脱落,化学硫负载法不利于倍率性能的提升。采用物理硫负载和化学硫负载相结合的方式,对提升C/S复合材料的循环稳定性和倍率性能具有重要意义。本文控制C/S复合材料的硫负载方式,研究化学硫负载制得的C/S复合材料在热处理前后的结构和性能变化,有利于实现稳定的聚硫化物转化,提升锂-硫电池循环稳定性和倍率性能。结果表明:C/S煅烧后复合电极具有较好的循环稳定性(5C下的容量保持率为60%)和倍率性能(60 mAh·g^(-1)20C),这是因为其具有稳定的聚硫化物转化能力。

用于高性能锂-硫电池的氮化硼纳米片/碳纤维改性隔膜

通过静电纺丝、热亚胺化和碳化过程,将氮化硼纳米片(BNNSs)负载在碳纤维(CFs)表面,组成用于修饰商业聚丙烯(PP)隔膜的氮化硼纳米片/碳复合纤维(BNNSs/CFs)复合材料。BNNSs和CFs的协同作用为电池提供了额外的导电路径,并将可溶性多硫化锂固定在正极区域。结果表明,采用10BNNSs/CFs-PP隔膜的电池在0.05C下的初始放电容量高达1295.7 mAh·g^(-1),当电流密度增加到1C时,以10BNNSs/CFs-PP为隔膜的电池也具有良好的长期循环稳定性,在400次循环后最终容量高达583.1mAh·g^(-1),每次循环容量衰减0.069%。

金属和合金作为锂-硫电池硫正极催化载体

锂-硫电池具有2600 Wh·kg^(-1)的理论能量密度,被认为是最具发展潜力的下一代能量存储体系之一。然而,锂-硫电池的应用严重受制于单质硫和放电产物(Li_(2)S_(2)/Li_(2)S)迟滞的电化学反应动力学以及可溶性多硫化锂中间体的“穿梭效应”,这些问题导致电池的循环稳定性差、硫利用率以及库仑效率低下。将催化载体引入硫正极,可加快锂-硫电池中含硫物种反应速率,进而抑制活性物质溶解流失。这篇综述简要总结了金属和合金材料作为硫正极核心催化载体的最新研究进展,同时阐明了金属及合金载体对含硫物种的催化转换机理,最后对催化载体的构筑以及高能锂-硫电池的发展进行了展望。

高性能锂-硫电池用复合正极的构造与粘结剂

采用球磨混合及热处理方法制备了含有多壁碳纳米管(MCNTs)的硫基复合正极材料,利用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,较系统地研究了MCNTs含量和粘结剂种类对硫基复合正极容量、循环稳定性和自放电行为等的影响.结果表明:MCNTs的合适含量为5%-8%(w,质量分数),以水性粘结剂环糊精制备的硫基复合正极电化学性能最佳.锂-硫电池在常温和半充电状态下放置30天几乎没有自放电;当电流倍率为0.1C时,β-环糊精为粘结剂的正极初始充电容量为687.7mAh.g-1,100次循环以后可逆容量为623.8mAh.g-1,容量保持率达90.7%.

锂-硫电池研究现状及展望

锂-硫电池由于具有高比能量以及硫廉价易得等优势而受到人们的广泛关注.但其实际应用仍面临着来自于正极、电解液以及负极等方面的诸多挑战,具体包括硫正极的溶解、多硫化合物的"穿梭效应"及金属锂负极的枝晶问题.本文以课题组近期的研究结果为主线,综述了近两年来关于锂-硫电池的研究进展,重点探讨了碳硫复合物正极、硫化锂正极、复合隔膜设计和电解液方面的研究进展,并总结了各方面存在的问题.

粘合剂对于锂-硫电池正极性能的影响

选用LA132、海藻酸钠、β-环糊精和PVDF四种粘合剂应用于锂硫电池正极中,采用恒流充放电、交流阻抗和扫描电镜(SEM)等方法考察了不同粘合剂对锂硫电池电化学性能的影响。其中以海藻酸钠为粘合剂的正极循环性能和倍率性能最为优异,在电流密度100 m A/g下,115次循环后放电比容量为757 m Ah/g,容量保持率达70%。在1 000m A/g电流密度下,放电比容量达到600 m Ah/g。

电解质组成对锂-硫电池电化学性能的影响

采用恒流充放电、循环伏安等方法并结合电解质的电导率和粘度的测试,研究了电解质对硫电极电化学性能的影响。实验以LiClO4为电解质,选用1,3-二氧戊环(DOL)、乙二醇二甲醚(DME)、四氢呋喃(THF)三种有机溶剂,配制了三种电解质:1mol/LLiClO4/(DOL+THF)(50∶50,体积比)、1mol/LLiClO4/(DME+DOL)(50∶50,体积比)、1mol/LLiClO4/(DME+THF)(50∶50,体积比)。比较了这三种电解质在锂-硫电池中的电化学性能,实验结果表明:在配制的电解质中,硫电极在2.3V和2.0V附近有两个放电电压平台,低电压平台的电位和电解质的粘度密切相关。使用1mol/LLiClO4/(DME+THF)(50∶50,体积比)的电解质时,硫电极有很好的大电流性能,首放比容量高达860mAh/g,当放电电流密度为0.6mA/cm2时,硫电极的充放电效率超过了80%。

一种富硫有机聚合材料作为锂-硫电池正极的研究

采用热熔法在185℃下使单质硫(S_(8))发生开环反应得到线性硫,然后再与有机材料双环戊二烯(DCPD)进行耦合,使线性硫接枝到双环戊二烯上,得到新型富硫的有机聚合材料(S-DCPD)。通过核磁、拉曼、X射线衍射和x射线光电子能谱表征证实单质硫接枝到双环戊二烯上面。这种以化学键方式固定单质硫的方法,有效地缓解了锂-硫电池中的“穿梭效应”问题。合成了一系列具有不同硫含量的S-DCPD材料,其中60%硫含量的S-DCPD综合电化学性能最优,库仑效率达到98%以上。

Fe_(3)O_(4)修饰的碳纳米管作为高性能锂-硫电池正极材料

设计了以Fe_(3)O_(4)修饰的碳纳米管(Fe_(3)O_(4)@CNT)作为硫的载体以提高锂-硫(Li-S)电池的电化学性能.碳纳米管由于具有优越的导电性,可以改善S及其放电产物的电导率,为电子和离子的传输提供高速通道.极性Fe_(3)O_(4)对多硫化物具有强的吸附作用,能够有效抑制Li-S电池中多硫化物的穿梭效应,Fe_(3)O_(4)@CNT/S正极展现出了优越的电化学特性.

物理所等高体积和重量能量密度锂-硫电池研究获进展

锂硫电池被视为下一代高能量密度电池体系的理想选择之一,受到全世界科研界和产业界的高度关注,是未来各国布局的重点研究方向之一。但随着研究的不断深入,锂硫电池也面临日益严峻的挑战。目前存在的主要问题是锂硫电池的体积能量密度较低,导致其在很多重要的市场应用中失去竞争力,同时高电解液用量也成为其重量能量密度提高的瓶颈。主要原因在于硫是离子和电子绝缘体,因此正极中的硫需要大量非活性物质来发挥容量。一方面,需要加入大量高比表面积的碳(通常>30%)来保证电极良好的电子电导,导致电极孔隙率通常>70%(商业化锂离子电池正极:<40%),这就使锂硫电池的体积能量密度大打折扣。另一方面,高气孔率需要大量电解液浸润和溶解中间产物来保证电极的离子电导(电解液活性物质比:锂硫电池通常>3μL/mg,商业化锂离子电池通常<0.5μL/mg),从而大大限制了锂硫电池的重量能量密度。因此,当前制约锂硫电池实用化的关键技术瓶颈是如何在高活性物质负载条件下(10mg/cm^2),实现低电解液用量、高电极密度及低非活性物质含量。

用纸张生物质制造锂-硫电池

伦斯勒理工学院的研究人员开发了一种专利方法,利用廉价且丰富的纸张生物质制造锂-硫电池。造纸工业的主要副产物是木质素磺酸盐,这是一种磺化的碳废物,通常在现场燃烧,在回收硫再利用后将CO2释放到大气中。

碳基/硫复合材料用于锂-硫电池正极的研究

锂-硫电池得益于其高的理论比容量和能量密度,受到了很多科研人员的关注,它集绿色无污染、价格实惠、来源广阔等多种优点于一身,激发了专家学者的探索兴趣。其中锂-硫电池的正极材料是影响电池性能好坏的一个重要因素,现今碳材料的高导电性成为硫宿主材料的研究热点之一。本文主要介绍了几种碳基复合材料用于锂-硫电池的正极设计以及性能研究。

面向高性能锂-硫二次电池应用的非对称电极-电解质界面

锂-硫电池具有高的理论电芯比能量和低成本,是极具应用前景的下一代电化学储能技术,已被广泛研究。实用化锂-硫电池技术目前面临的挑战主要包括正极侧电活性硫物种在充放电过程中的不可逆损失,负极侧枝晶形核生长,以及因活性硫迁移至负极而导致的界面副反应,上述问题会导致电池工况条件下性能迅速衰退,引发电池失效和安全问题。本工作中,我们提出通过设计非对称的电极-电解质界面稳定锂-硫电池正负极电化学,协同促进电极/电解质体相和界面电荷输运,从而延长电池循环寿命,显著提升电化学性能。本文所讨论的策略有望指导电池界面理性设计,助力实现高性能的锂-硫电池。

氧化还原媒介体分子调控锂-硫电池硫正极性能研究进展

锂-硫(Li-S)电池具有较高的理论比容量(约1 675 mAh·g^(-1))和能量密度(约2 600 Wh·g^(-1)),被认为是继锂离子电池之后最有前途的下一代高能量密度电池.Li-S电池在实现产业化之前需要克服硫正极诸多技术瓶颈,主要有硫的导电性差、多硫化物的穿梭效应与硫电极体积膨胀等.本文着重梳理了氧化还原媒介体分子在硫正极改性研究上的进展,并对硫正极的未来发展趋势进行了展望.

ZIF-67衍生Co-NC多孔碳材料的可控制备及其在锂?硫二次电池中的应用研究

以ZIF-67为模板制备了一系列具有不同金属Co负载量的S/Co-NC复合材料,并将其应用于锂–硫电池正极中进行电化学性能研究。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对Co-NC材料的多面体形貌及多孔结构进行表征;采用X射线衍射(XRD)分析了Co-NC中金属Co的结晶状态;采用氮气吸脱附方法分析了Co-NC材料的比表面积及孔结构。研究表明,当刻蚀时间为48 h,即Co含量为15.93wt%时,复合硫正极呈现出最佳的循环性能以及倍率性能,在0.2C电流密度下从第50圈到200圈循环的容量保持率为94.84%, 5.0C高倍率下的放电比容量为718.8 mAh·g^(–1)。

锂-硫二次电池界面反应的特殊性与对策分析

锂-硫电池是在现有锂离子电池基础上最可能实现储能密度大幅提升的实用二次电池体系.然而,这一电池体系的电化学利用率与循环稳定性仍然难以满足应用要求.造成锂-硫电池性能不稳定的原因在于硫正极和锂负极的材料结构和反应环境始终处于变化之中,如在充放电过程中,硫/碳反应界面的电化学阻塞、中间产物的溶解流失、正负极之间的物质穿梭效应等副反应导致正极与负极均难以形成稳定的电化学反应界面.针对这些特殊问题,本文简要分析了影响能量利用率和循环稳定性的化学与电化学机制,并提出了构建稳定锂负极与高效硫正极的若干可行性技术.

锂-硫电池中聚合物粘结剂的研究进展

锂-硫电池由于其高比容量(1675mA·h·g^-1)和高能量密度(2600Wh·kg^-1)吸引了许多科学家的关注。同时,硫具有无毒,储量多且环境友好等优点。然而,硫的绝缘性、多硫化物引起的穿梭效应以及充放电过程中的体积膨胀阻碍了锂-硫电池的实际应用。为解决上述问题,针对电极活性材料所面临的难题,大量工作围绕着对导电碳基材、金属化合物、导电聚合物进行化学修饰而展开。另外,也有一些工作研究了新型聚合物粘结剂。本文总结了近期关于锂-硫电池新型粘结剂的研究进展,主要分为非水溶性粘结剂和水溶性粘结剂,并展望了未来新型粘结剂的发展。

石墨烯片层上单分散聚酞菁钴衍生超细钴纳米颗粒促进Li-S电池中多硫化锂的反应动力学

锂硫(Li-S)电池被认为是下一代具有潜力的高能量存储设备。然而,多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应及其在电解液中的溶解,以及使穿梭效应更加严重的LiPSs迟滞的转化动力学等问题严重制约了Li-S电池的商业化进程。基于此,本文采用了将具有Co−N_(x)配位结构的聚酞菁钴(CoPPc)原位转化为嵌入碳基体中的钴纳米颗粒(Co NPs),同时将其单分散在石墨烯片层上的策略来解决上述问题。其中,Co纳米颗粒可以提供丰富的吸附和催化位点,石墨烯片层可以作为良好的LiPSs传输和电子传导平台。由于这些优点,将其用于锂硫电池正极时(硫含量高达70 wt%),LiPSs的反应动力学得到显著增强;在0.2C时能提供高的初始容量(1048 mA·h/g)及在2C时可达399 mA·h/g的良好倍率性能。

预锂化硅-硫全电池的构建及电化学性能

以模板法合成介孔碳并作为载硫基底制备硫/介孔碳复合材料。采用电化学方法对硅碳负极预锂化,并与硫/介孔碳正极匹配构建高性能预锂化硅-硫全电池。结果表明:当全电池的负极锂容量过量正极约20%时,预锂化硅-硫全电池初始容量为1069 mA·h/g,能量密度为590 Wh/kg。循环100圈后,电池容量为603 mA·h/g,对应容量保持率为56.4%。同时,硅碳极片的引入对电池阻抗影响较小,正负极极片结构在循环后依然保持稳定。通过改变硅碳负极锂容量研究其对全电池性能的影响,全电池循环性能在负极容量过量系数约为50%时最佳,循环100圈后放电比容量达到650 mA·h/g。

美研究人员设计高性能长生命周期锂-硫电池

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室研究人员示范了一种比能量是锂离子电池两倍多的锂硫电池，并可持续进行超过1500次的充放电循环，电池容量衰减达到最小。研究人员称这是迄今为止报道过的生命周期最长的锂硫电池。