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.     

LiBr/MoO3/PE隔膜对锂硫电池循环稳定性的影响

通过在聚乙烯(PE)隔膜上引入三氧化钼(MoO₃)和溴化锂(LiBr)涂层制备LiBr/MoO₃/PE多功能复合隔膜,采用X射线衍射和扫描电子显微镜对膜的结构和形貌进行表征,并通过循环伏安、电化学阻抗和充放电性能测试等方法研究涂覆修饰层后的LiBr/MoO₃/PE隔膜对Li金属负极稳定性和锂硫(Li-S)电池性能的影响.结果表明：LiBr提高了多硫化锂(LiPSs)的溶解度,MoO₃层对LiPSs具有化学吸附作用,可提高活性物质S的利用率,并抑制Li-S电池的穿梭效应;以LiBr/MoO₃/PE为隔膜的Li-Li对称电池在0.6 mA/cm²的电流密度和1 (mA·h)/cm²的容量下稳定循环时间为1 600 h, Li-S电池在0.2 C下的初始放电比容量可达1 229.2 (mA·h)/g, 500次充放电循环后的比容量为628 (mA·h)/g.     

碳化钛类MXene基材料在锂硫电池中的应用研究进展

作为储能器件的重要一员,锂硫电池具有理论能量密度高、安全性好、成本低等优点,已成为目前最具前景的电源体系之一.但锂硫电池充放电过程中多硫化物的穿梭效应使其在长期循环过程中的性能衰减. MXene基材料具有优异的导电性和高比表面积,对多硫化锂具有强化学吸附和催化转化能力,能够有效避免多硫化物的穿梭效应,从而提高锂硫电池的循环稳定性和倍率性能.本工作简述了MXene基材料在锂硫电池中的应用优势,总结了MXene基复合材料在锂硫电池正极和隔膜中的应用研究现状,归纳了MXene基材料对锂硫电池穿梭效应的影响,最后,展望了MXene基材料在锂硫电池领域的未来研究方向.     

锂硫电池用隔膜材料的研究进展

锂离子电池在生产和生活中已经得到广泛应用，但也面临更高的使用要求和技术挑战，如能量密度较低等问题.凭借高理论能量密度和低成本等优势，锂硫电池被寄予厚望.但是，容量稳定性和安全性等问题成为锂硫电池技术发展的主要瓶颈.上述问题均与膜材料的结构和性能密切相关.在锂硫电池中，隔膜除发挥基本功能外，还需解决界面、硫穿梭及锂枝晶等问题，开发功能隔膜是解决电池上述问题的有效途径.基于涂层材料的特殊结构和理化性能对隔膜或隔膜/电极界面进行修饰是当前广泛选用的方法.本文针对锂硫电池的3大问题与隔膜材料的关系，总结了锂硫电池隔膜的研究进展，并对其未来发展方向提出展望.     

高比表面积石墨相氮化碳的制备及其光催化应用研究

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)具有较好的物理化学稳定性、合适的能带结构和良好的可见光吸收性能,因而在光催化领域得到了广泛关注.作为异相催化剂,高比表面积可以提供较多的反应位点,增加反应物的接触,改善传质,从而促进催化性能的提升.本文综述了高比表面积g-C_3N_4的合成方法,介绍了两种增加g-C_3N_4比表面积的途径:(1)模板法制备多孔g-C_3N_4;(2)剥离法制备薄层g-C_3N_4纳米片.本文对高比面积g-C_3N_4的光催化应用也做了相应的介绍,并对g-C_3N_4的发展前景做了展望.     

基于Co-N-C改性隔膜的高性能锂硫电池

设计制备了一种钴嵌入式叶片状氮掺杂碳(Co-N-C)材料改性隔膜用于锂硫电池,借助高分散单质钴提供的活性位点实现对正极侧中间产物多硫化物的化学锚定,抑制其溶解导致的穿梭效应;利用氮掺杂碳材料的微纳结构加快离子传输速率,提高电化学反应动力学,使改性隔膜实现吸附-催化协同作用。实验结果表明,采用此改性隔膜组装的锂硫电池,首圈比容量高达1408 mAh/g,且在1 C倍率下稳定循环400圈,衰减率仅为每圈0.05%,电池性能明显提升。     

超薄MoS_2纳米片改性隔膜用于锂硫电池的研究

与锂离子电池相比,锂硫电池具有较高的理论能量密度。然而,硫具有较差的电子导电性,以及充放电过程中体积膨胀和放电产物多硫化锂的"穿梭效应",这将导致实际应用中电池的循环寿命很差。在本文中,利用溶剂插层剥离法将MoS_2体相材料剥离成超薄的纳米片。后续通过简单的真空抽滤法将高导电性的碳纳米管和超薄MoS_2纳米片的乙醇分散液依次修饰在商用聚丙烯隔膜上。电化学测试结果表明,使用CNT+MoS_2/PP隔膜的锂硫电池在1C下显示出了924.4 mAh/g的高容量,200次循环后保持573.7 mAh/g的高可逆容量,容量保持率为80.3%,每圈容量衰减率仅为0.098%,明显优于使用聚丙烯隔膜的电化学性能。这主要是由于超薄的MoS_2纳米片能够有效地吸附长链多硫化物(Li_2S_x,4≤x≤8),同时高导电性的碳纳米管能够高效地将其还原成Li_2S_2/Li_2S,从而抑制了多硫化物的"穿梭效应"。     

锂-累托石基锂硫电池复合正极材料的研究

在二次电池中,锂硫电池作为以硫为正极活性物质的电池形态,它具有原料环保且相对于其他传统材料更高比容量的特点。针对锂硫电池硫导电性差、膨胀率较大且充放电过程形成的多硫化锂易溶于电解液形成"穿梭效应"的不足,设计了一种以锂盐改性累托石为硫的宿主,碳硫复合的正极材料来改善锂硫电池的电化学性能。经测试,锂盐改性可以较大程度地疏通累托石的层间和孔道结构,增大比表面积和孔容,从而扩大硫在孔道中的负载空间,同时锂离子大量富集于材料中能有效提高充放电中离子和电子的传输。该改性正极复合材料在0. 1 C倍率下首圈循环充放电比容量为877 mAh/g,60圈后比容量衰减为653 mAh/g,容量保有率为74. 5%,说明材料中的成分能有效吸附多硫化物、抑制穿梭效应,使材料具有较好的循环稳定性。在电流密度0. 1、0. 2、0. 5、1 C下平均比容量分别为850、750、600和500 mAh/g左右,表现出良好的倍率性能。其电荷转移阻抗为63Ω,有利于电子电荷的传导。     

锂硫电池正极用硫碳复合材料的制备和电化学研究

采用优化合成的高比表面积和多微孔结构的活性炭,通过加热的方法使单质硫升华并沉积到活性炭微孔中,得到锂硫电池正极用硫碳复合材料.通过X射线衍射、扫描电子显微镜和比表面积表征复合材料的结构、表面形貌和比表面特性.循环伏安测试表明,复合材料在2.05V和2.35V时存在两个还原峰,在2.4V时存在一个氧化峰.充放电循环实验表明,单质硫在100mA·g-1的电流密度下首次放电比容量高达1352.5mA·h·g-1,硫的利用率达到了80.9%,循环40周后比容量还保持在800.7mA·h·g-1,表现出良好的循环稳定性.     

冷冻干燥石墨烯包覆硫/多孔碳复合正极材料的制备与电化学性能测试

为了缓解锂硫电池在充放电过程中的活性成分流失以及过充电问题,本文采用冷冻干燥与后续热处理方法制备得到还原氧化石墨烯包覆的硫/碳复合材料(S@C/FD-rGO),并将其作为锂硫电池正极材料.电化学性能测试结果表明,还原氧化石墨烯的包覆有效抑制了多硫化物的溶解,所制备的S@C/FD-rGO复合材料的首次可逆容量为965.8mAh·g~(-1),循环100圈后可逆容量为488.3mAh·g~(-1),容量保持率为50.6%,相较于未包覆石墨烯的硫/碳复合材料,电化学性能得到显著提高.     

氮掺杂多孔MOF衍生碳电极的构筑及其电化学性能

通过两步法成功将氮掺杂石墨烯量子点(N-doped graphene quantum dots,N-GQDs)与金属有机骨架衍生碳材料(cZIF-8)组合制备出N-GQDs@cZIF-8超级电容器.1 mol/L H_2SO_4电解质中,该电极在0.5 A·g~(-1)电流密度下具有246.6 F·g~(-1)的比容量,在循环8000次时仍然保持83.7%的容量保留率,展现了优异的循环稳定性.同时, NGQDs@cZIF-8超级电容器在104.5 W·kg~(-1)的功率密度下获得了8.2 W·h·kg~(-1)的优异能量存储能力,这样显著的电化学性能主要因其具有高比表面积的三维结构和高赝电容活性的氮掺杂水平(10.13%),使其在超级电容器、锂离子电池等能量存储领域具有潜在的应用前景.     

Fe2O3/g-C3N4光催化降解罗丹明B性能研究

为了改善g-C_3N_4比表面积低等缺点,通过高温热聚合法制备了三维(3D)多孔g-C_3N_4,并通过与Fe_2O_3复合得到Fe_2O_3/g-C_3N_4催化剂,提高其可见光响应.Fe_2O_3/g-C_3N_4在g-C_3N_4含量为900 mg、罗丹明B(Rhodamine B,RhB)浓度为20 mg·L~(–1)、H_2O_2为15 mmol时脱色速率最快,30 min可达到100%.同时Fe_2O_3/g-C_3N_4对其他有机物也表现出较好的降解性能,在30 min内对甲基橙(Methyl orange,MO)、四环素(Tetracycline,TC)的降解率分别达到80%和90%.通过活性基团捕获实验探究Fe_2O_3/g-C_3N_4的光催化降解机制,实验结果表明h+和·OH在Fe_2O_3/g-C_3N_4光催化降解有机物过程中起到主要作用.     

多壁碳纳米管涂层修饰苘麻基生物碳/硫复合正极材料的制备及对锂硫电池性能的影响

锂硫(Li-S)电池因高理论能量密度在众多新型电池中受到广泛关注,但存在硫正极导电性差、多硫化物的穿梭等问题,制约其商业应用。针对上述问题,本次试验制备苘麻基生物碳(AC),通过熔融扩散法与升华硫(S)复合形成碳/硫复合材料(AC@S),并使用碳涂层法在正极材料表面涂覆多壁碳纳米管(MWCNTS)作为Li-S电池正极片与隔膜之间的夹层,进一步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Li-S电池的容量和循环性能。AC@S+MWCNTs电池首次放电容量为1 242.8 mAh·g^-1,循环150次后仍保持982.4 mAh·g^-1,相同条件下比AC@S高出275.0 mAh·g^-1。将MWCNTS涂层与正极材料结合设计工艺简单,成本低,且可提高材料导电性、抑制多硫化物的穿梭效应,表现出良好的循环性能和库伦效率,是一种解决Li-S电池穿梭效应的有效途径。     

真空加热和电子束辐照改性处理g-C_3N_4光催化剂

将真空加热与电子束辐照两种改性后处理过程引入非金属光催化剂类石墨相氮化碳(graphitic carbon nitride,g-C_3N_4)的性能改善中.这两种后处理方法都能有效地改善g-C_3N_4的光催化特性,不过电子束辐照方法更具有破坏性,会在一定程度上改变g-C_3N_4光催化剂本身的化学键和能带结构.根据后处理的实施参数,真空热处理(6.7±0.7 Pa,4 d,200?C)可以将原始的g-C_3N_4可见光光催化性能提高2.5倍,而电子束辐照(800 kGy,1.8 MeV,8 mA·s~(-1))可以提高至4.5倍.光催化循环实验显示了改性后光催化剂的循环稳定性,也保证了这两种后处理方式的进一步实施.     

氮化碳修饰的氧化锌纳米线阵列的制备及其光电催化应用

研究了氮化碳修饰的氧化锌纳米线阵列作为光阳极在光电化学(PEC)电池中的应用。首先采用水热法制备氧化锌纳米线阵列,用二氰二胺制备石墨状氮化碳(g-C_3N_4)和无定形氮化碳(a-C_3N_4)。然后用不同浓度的g-C_3N_4和a-C_3N_4悬浊液修饰氧化锌纳米线阵列。通过SEM、XRD、FT-IR、XPS、UV-Vis等方法表征样品的结构与成分,紫外-可见光吸收光谱表明氧化锌纳米线阵列在可见光区的光吸收强度随着氮化碳悬浊液浓度的增加而提高,并且在相同条件下,a-C_3N_4/ZnO比g-C_3N_4/ZnO在可见光区有更好的吸收。将一系列氮化碳修饰的氧化锌纳米线阵列制作成光阳极器件,并进行光电化学测试,氮化碳的修饰可以使氧化锌纳米线阵列的光电催化性能有显著提高,并且a-C_3N_4/ZnO比g-C_3N_4/ZnO在相同条件下能产生更大的光电流。这些结果表明,氮化碳修饰的氧化锌纳米线阵列有潜力应用于PEC电池领域。     

AuPd/g-C_3N_4复合光催化剂可控制备及其光催化分解水产氢性能研究

采用两种不同的制备方法合成了AuPd/g-C_3N_4复合光催化剂,并采用透射电子显微镜、X射线光电子能谱、表面光电压谱等研究了材料组成成分及光生电荷的分离效率.研究结果表明,采用光还原原位制备的AuPd二元合金负载的光催化剂具有最优的光催化活性.当负载量为1.0wt%时,AuPd/g-C_3N_4(光)产氢速率是通过化学还原制备的7.4倍,达到了2 140μmol·g~(-1)·h~(-1).研究结果表明,AuPd纳米粒子有利于g-C_3N_4光催化剂产氢活性位点上光生电荷的有效分离.     

多孔碳的模板比例对锂硫电池性能的影响

文章采用不同质量比的葡萄糖和碳酸钙模板制备了3种多孔碳,再与单质硫复合成3种硫碳正极材料;测试计算了3种多孔碳的比表面积和孔径分布,观测分析了硫碳复合材料的形貌结构,测试了电池的电化学性能。研究结果表明:当葡萄糖与碳酸钙的质量比为4∶4时,制备的多孔碳与硫复合后装配的电池电化学性能最优;在0.2C的放电倍率下锂硫电池首次放电容量为1 480 mA·h/g,100次循环后仍能保持在630mA·h/g,库伦效率接近100%。     

以SiO_2为模板制备高比表面积g-C_3N_4光催化剂

比表面积大小是限制普通块状g-C_3N_4(Bulk-C_3N_4)光催化性能的重要因素,以三聚氰胺为原料,SiO_2纳米粒子为嵌入剂,采用一种简便的方法制备出一种具有纳米片结构的高比表面积g-C_3N_4(HA-C_3N_4).同时使用X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变化红外光谱(FT-IR)、氮气吸脱附(BET)、透射电镜(TEM)、紫外可见光谱(UV-vis)和荧光光谱(PL)等表征手段分析了所制备材料的结构、形貌特征、比表面积和光学性质.结果表明:所制备的HA-C_3N_4具备纳米薄片结构,其比表面积相比于Bulk-C_3N_4由原来的7.1 m~2/g提升到了97.3 m2/g.以罗丹明B(Rh B)的降解评价了HA-C_3N_4的光催化性能,结果表明:当m(SiO_2)∶m(三聚氰胺)=3∶7时,HA-C_3N-4具有最好的光催化活性,反应速率常数k达到0.055 9 min~(-1),是Bulk-C_3N_4的6倍.     

基于新型固态电解质的锂硫电池研究进展

相对于传统的锂离子二次电池,锂硫电池拥有高比容量、高能量密度、环境友好等优点,因而在未来的动力电池和储能电池等应用上被寄予厚望.近十年来,人们在维持电极结构稳定性,提高硫的利用率,延长电池循环寿命等方面开展了大量的研究工作.但目前锂硫电池仍处于实验室研制阶段,存在不少的瓶颈问题,其中包括单质硫和产物Li2S的绝缘性、多硫离子的穿梭效应、金属锂电极稳定性较差等等,这些问题都严重影响了锂硫电池的电化学表现.本文针对以上问题,首先从正极、负极、液态电解质三方面简单介绍常用的解决途径;然后重点综述基于新型固态电解质的锂硫电池设计以及相关的研究进展;最后分析了未来锂硫电池用电解质的研究和发展方向.     

δ-MnO_2纳米线的制备与电化学性能

以MnSO_4、(NH_4)_2S_2O_8为反应物,(NH_4)_2SO_4为模板试剂,利用水热法制备了δ-MnO_2纳米线.分别采用XRD、SEM、N_2吸附/脱附等方法对试样的晶体结构、形貌、比表面积进行了表征.用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗和循环稳定性测试等方法测试其电化学性能.结果表明:δ-MnO_2具有纳米线状结构和较大的比表面积(82.43 m~2·g~(-1)),在6 mol·L~(-1)KOH电解液中,当扫描速率为2 m V·s~(-1)时,δ-MnO_2纳米线的比电容为127.60 F·g~(-1),高于β-MnO_2的比电容(60.89 F·g~(-1)),充放电循环2 500次后其容量和库仑效率保持稳定.在电流密度为0.4 A·g~(-1)时,组装的AC/6 mol·L~(-1)KOH/δ-MnO_2装置的功率密度为36.45 W·kg~(-1),能量密度为10.33 Wh·kg~(-1).