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.     

膨胀石墨对锂硫电池性能的影响

以热膨胀法制备的膨胀石墨为载硫体,通过熔融法制备出不同含硫量的硫/膨胀石墨复合材料.采用X射线衍射、热重测试、恒流充放电测试、循环伏安法、电化学阻抗谱等多种方法分析了膨胀石墨对锂硫电池电化学性能的影响规律.结果表明:当硫、膨胀石墨质量比为7∶3时,电池具有较高的比容量和较好的循环稳定性,0. 1C首次放电比容量为936 m Ah/g,较纯硫提高了324 m Ah/g;不同倍率下循环50圈以后可逆容量为509m Ah/g,容量保持率为55. 2%,1C倍率下循环100圈后容量保持率为78. 9%,库仑效率接近100%;循环过程中电化学活性最高、极化最小,界面行为良好.     

锂硫电池硫载体材料研究进展

单质硫具有高理论比容量、丰富的储量、低成本和环境友好的特点，由硫正极和金属锂负极组成的锂硫电池能量密度可以达到1 000 Wh/kg以上.然而，硫的绝缘性、穿梭效应和充放电过程中的体积剧变等限制了锂硫电池的应用.要同时解决这3个问题，合理的硫载体材料设计是关键.结合近年来的相关文献报道，综述锂硫电池硫载体材料及其相应的电化学性能，展望硫载体材料的发展趋势.     

GO@S复合正极的制备及其在锂硫电池中的应用

采用Hummers法和熔融扩散法结合的方法制备了氧化石墨烯@硫(GO@S)复合正极材料,研究了此复合正极对锂硫电池电化学性能的影响.测试结果表明,GO@S复合正极大幅度提高了电池的比容量、有效改善了电池的倍率性能和循环稳定性.在0.1 C倍率下,初始放电容量高达1 044 mA·h/g;0.5 C倍率下经过100次的充放电循环后,库伦效率为96%,容量保持率为78.5%.     

两种硫含量控制方法对锂硫电池性能的影响

采用高导电性碳材料和商业活性炭分别作为硫的载体,与单质硫混合后进行热处理制得SP/S和CAC/S硫碳复合材料,利用热重测试、循环伏安、交流阻抗和恒流充放电测试等分析方法,研究了正极中电极材料厚度、硫碳复合比例对电池电化学性能的影响.结果表明:适当增加电极材料厚度可以有效地改善Super-P材料电极综合电化学性能;通过改变硫碳复合比例,提高硫含量则对活性炭材料锂硫电池电极的性能提升有着显著的效果.其中,含硫量为63.60%的CAC/S正极材料首次放电比容量达到908.8 m Ah/g,活性物质利用率为54.2%,100圈循环后放电容量为594.1 m Ah/g,容量保持率达到65.4%.     

玉米芯基多孔碳的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池理论比容量高、成本低、环境友好,但硫正极仍面临导电性差、容量衰减快、体积膨胀等问题。采用生物质废弃物玉米芯作为碳源,KOH为活化剂,通过不同工艺制备了三种多孔碳材料。利用XRD、SEM、BET等对多孔碳产品的物相形貌等进行表征后发现,采用一次活化工艺所制备的多孔碳材料具有大量相互贯通的孔道结构,故具有高的比表面积(1 578.64 m~2/g)与较大的孔容(0.93 cm~3/g)。覆硫后用于锂硫电池正极,可作为三维导电骨架显著提高硫正极的导电率,并对单质硫表现出较高的吸附性能。电化学测试表明改性正极材料首次放电比容量为1 050.7 mAh/g,50周循环后容量保持率为50.4%。综合对比表明,一次活化工艺为利用此类生物质废弃物制备多孔碳材料提供了优化方案。     

钒离子改性MXene的制备及其在锂硫电池中的应用研究

利用化学刻蚀后得到的MXene (MX)片层具有大量阴离子官能团的特点,采用喷雾干燥技术,设计并合成了钒离子改性MXene(MX-VN)材料用于锂硫电池正极。MXene的优异导电性可以提高硫正极整体的导电性,同时原位构建的MX-VN界面可以提高对多硫化物的吸附效果和催化能力,提高硫的利用率。实验结果表明,采用MX-VN/S为正极的锂硫电池在0.1 C下的放电容量高达1438 mAh/g,且在0.5 C下循环200次以后容量保持率高达77.5%,电池性能明显提升。     

基于EDOT原位包覆碳硫复合物锂硫电池的正极设计及其性能研究

锂硫电池被认为是最有前途的高能量密度储能系统,但充电过程中多聚硫化物的溶解限制了活性材料的利用率和循环稳定性,影响了锂硫电池的实际应用.通过电化学聚合电解质中所含的3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)单体,使其在正极碳硫复合物表面原位形成聚乙烯二氧噻吩包覆层.在电池内部原位形成包覆层,可以增加电解液与活性物质的浸润性,提高Li+电导率,从而增加活性物质利用率.通过极性-极性键吸附多硫化物,抑制穿梭效应,从而提高循环稳定性.实验结果显示,添加50 mmol/L EDOT的锂硫电池的初始放电比容量为1155 mA·h/g,200次循环比容量仍高达770 mA·h/g,优于未添加EDOT的锂硫电池.     

铈掺钛酸锂负极材料的电化学性能研究

钛酸锂因循环性能好、安全,是目前较为理想的锂离子电池负极材料。采用溶胶-凝胶二步煅烧法制备Ce掺杂钛酸锂Li4Ti5-xCexO12(x=0,0.1,0.15,0.2),用SEM、XRD等物理表征手段和恒流充放电、交流阻抗等电化学方法表征材料性能,以考察铈掺杂量对材料电化学性能的影响。结果表明:x=0.15的样品粒径较小,在0.1C时比容量为168.0 mAh/g,1C时比容量为116.0mAh/g,倍率性能优于未掺杂的样品,1C下循环10次后容量仍保持在112.7mAh/g。     

原位水解/熔融扩散法制备钛酸锂/硫复合正极及其在全固态锂电池中的应用

利用原位水解和熔融扩散技术制备钛酸锂/硫(LTO/S)复合材料,并以该复合材料为正极、金属锂为负极,结合PEO基聚合物固体电解质组装全固态锂电池。研究结果表明,电池充放电过程中钛酸锂和硫作为正极活性物质均提供了高容量,电池循环稳定性也得到了显著提高;当复合正极中钛酸锂与硫质量比为1:3、活性物质质量分数为80%时,电池的容量发挥和循环稳定性同时达到最佳;在60℃和0.2C测试条件下,循环100圈后电池比容量保持在801 mA·h/g,库仑效率达到99%。