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.     

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.     

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。     

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.     

钛基材料用于锂硫电池正极改性研究进展

锂硫电池因其高比容量、高能量密度和低成本等特点已被视为超越锂离子电池的下一代可充电电池。由于反应产物可溶性多硫化物的穿梭效应和循环中硫电极的体积膨胀导致电池的循环寿命较差。为了解决锂硫电池中存在的问题,研究人员开发了多种纳米结构的金属材料。总结了利用钛元素和钛基化合物（包括钛基氧化物、钛基硫化物和钛基氮化物）与硫的反应形成牢固化学键,通过金属基复合材料的结构设计来提升锂硫电池的综合性能。     

Janus CoSTe单层膜在Li- S电池中的应用研究

开发新的亲硫催化材料是解决锂硫电池正极多硫化锂存在的严重的穿梭效应和缓慢的动力学转化等问题的有效方案。构建了一种潜在的锂硫电池正极锚定材料—Janus过渡金属二硫属化物CoSTe单层膜,采用第一性原理计算发现多硫化物Li₂S_n团簇在CoSTe单层膜表面吸附能适中(0.88～2.85 eV),大于石墨烯表面和有机电解液中的吸附能,且高阶Li₂S_n团簇的表面吸附在一定范围内得到了优化;Li₂S_n团簇的分解不太容易自发地在CoSTe膜层上发生;Li₂S_n团簇在CoSTe单层膜表面的扩散有其微观上的“通道”;Li₂S的解离能优于石墨烯表面,CoSTe单层膜比石墨烯表面更利于硫还原反应的顺利进行;CoSTe单层膜的金属特性在吸附Li₂S_n团簇后得以保留。综上,理论上Janus CoSTe单层膜表面在锂硫电池电极中具备优异的电化学性能,具有开发应用的潜力和价值...     

可充电锂氧气电池正极材料的研究进展——贵金属催化剂

锂氧气电池具有较高的理论能量密度，有望成为未来一种很有前途的新型电池系统.贵金属催化剂不仅具有较高的催化活性，而且具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良性能，是一种重要的催化剂材料.本文综述了贵金属基锂氧气电池正极材料的制备方法及其对电池性能的影响，包括钌、铑、钯、银、铱、铂、金以及复合贵金属催化剂.     

锂硫聚合物二次电池关键材料研究进展

报告了在复合型纳米硫正极材料、纳米储锂合金负极材料和用原位合成工艺掺入纳米二氧化硅的凝 胶型聚合物电解质的研制方面所取得的进展;所研制的复合型纳米硫正极材料与凝胶电解质及锂金属负极配合 制成扣式实验电池进行测试,容量已达到７００mAh桙g,发现该材料放电电压是现有锂钴氧材料放电电压的一半, 双电池串联可以与现有锂钴氧材料电池互换;采用微乳液新工艺合成的Cu－Sn纳米合金材料,以石墨与金属锡 复合的材料,以及以金属氧化物作为原料,采用乳液法制备碳微球镶嵌金属锡的球形复合材料等高容量负极材 料取得了较大的进展     

用于高性能锂硫电池隔膜的a-MEGO@g-C_3N_4复合材料（英文）

由于具有高能量密度和环境友好性,锂硫电池成为备受关注的下一代电化学储能系统,然而硫和硫化锂的低电导率和多硫化锂的穿梭效应严重影响锂硫电池的实际比容量和循环性能.本研究制备出了具有高氮含量(原子数分数20.08%)和高比表面积(1000m~2·g~(-1))的a-MEGO@g-C_3N_4复合材料,并将其用作隔膜修饰层.在0.1C(1C=1675mA·g~(-1))的充放电速度下,采用修饰隔膜的电池首次放电容量达1244mAh·g~(-1);在0.5C下循环800次,衰减率为0.062%,两项指标明显优于对比电池.实验研究发现,a-MEGO@g-C_3N_4隔膜修饰后电池性能的提高来源于两方面:(1)高比表面积的a-MEGO@g-C_3N_4通过物理吸附固定多硫化物;(2)g-C_3N_4与多硫化锂通过形成C-S键与Li-N键抑制穿梭效应,并对溶解的活性物质实现再利用.本研究为以g-C_3N_4为基础的高氮碳材料在锂硫电池中的应用提供了可能.     

高容量型锂离子电池硅基负极材料的研究进展

硅基负极材料由于其具有高容量而被广泛研究,该材料在充/放电过程中巨大的体积变化、低的循环寿命和初始库仑效率阻碍了其商业化应用. 本文分析了硅基负极材料的工作原理,回顾了其在脱/嵌锂过程中的晶体结构、表面/界面的变化以及提高其电化学性能的方法,讨论了锂离子电池硅基负极材料的前景.     

硼粉粒径对锂硼合金结构和电化学性能的影响

金属锂具有高比容量、低密度、低电化学电位,是锂二次电池负极的候选材料,但金属锂在循环过程中不可控的锂枝晶生长和剧烈的体积变化易造成巨大的安全隐患。Li-B合金因存在三维多孔纤维状骨架可以降低局部电流密度,缓解锂枝晶的生长并减少体积变化。采用不同粒径的无定形硼粉制备Li-B合金负极,研究硼粉粒径对Li-B合金的结构和电化学性能的影响。研究结果表明：由平均粒径为1.49μm的硼粉制备的锂硼合金的骨架孔隙尺寸最小,锂在沉积/溶解过程中会出现堵塞。由平均粒径为3.12μm的硼粉制备的锂硼合金,具有大小合理、分布均匀的骨架孔隙,有利于锂的沉积、溶解;Li-B合金对称电池具有最低的过电位(0.13 V)和最低的界面电阻,以LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂为正极的全电池具有最高的比容量。     

钛酸锂负极的相分离机制

尖晶石钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)作为锂离子电池负极材料具有长寿命、高稳定性的特点,是高功率锂离子电池的理想选择,对发展电动汽车以及智能电网有重要意义.结合球差校正透射电镜(STEM)、电子能量损失谱(EELS)和理论计算,在原子尺度观测到了尖晶石钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)的结构,实现了对脱嵌锂过程的直接观测与表征.在锂化过程中,出现一个近似理想的异质界面(Li₄Ti₅O₁₂/Li₇Ti₅O₁₂),界面两侧Ti离子呈不同价态分布(Ti3+/Ti4+).而随着锂离子在材料中的嵌入和脱出,TiO₆八面体里面的Ti—O键会产生相应的收缩或拉伸(“呼吸”模型),而这种键长的变化直接导致材料在不同区域的电子电导率产生质的变化(由绝缘体的Li₄Ti₅O₁₂向近似导体的Li₇Ti₅O₁₂转变),而基本不影响材料的离子电导率,这是材料具有优良倍率性能的重要条件.借助原子分辨的EELS分析研究锂化以后的Li₇Ti₅O₁₂表面, 观测到材料表面的Ti3+自发氧化成Ti4+,这个电荷转移过程可以诱导电极材料界面上的副反应,可以合理解释钛酸锂电池产气的原因.进一步将钛酸锂电池用于储钠研究发现了晶格中存在Li₄Ti₅O₁₂/Li₇Ti₅O₁₂/Na₆LiTi₅O₁₂三相分离机制,深化了对电极材料过程动力学的认识.这些重要研究结果为钛酸锂的工业化应用提供了重要的结构基础与理论指导.     

锰酸锂动力电池体系研究

从负极材料、电解质溶液、电压范围3方面研究了适合于锰酸锂动力电池的最佳体系,结果表明:成本低廉的天然石墨非常适合作为锰酸锂动力电池的负极材料,使用改良电解质溶液后电池的循环寿命可延长200次,锰酸锂电池在3·0~4·2V之间稳定性最好,使用寿命最长,体系确定后的锰酸锂动力电池安全性能、循环寿命、高温性能、低温性能良好。     

锰酸锂动力电池体系研究

从负极材料、电解质溶液、电压范围3方面研究了适合于锰酸锂动力电池的最佳体系,结果表明：成本低廉的天然石墨非常适合作为锰酸锂动力电池的负极材料,使用改良电解质溶液后电池的循环寿命可延长200次,锰酸锂电池在3.0～4.2V之间稳定性最好,使用寿命最长,体系确定后的锰酸锂动力电池安全性能、循环寿命、高温性能、低温性能良好。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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...