硫-纳米碳复合柔性正极材料的制备及其在锂硫电池中的应用

便携式电子设备的逐渐普及促使储能器件朝着柔性化、高储能方向发展。锂硫电池因拥有高比容量、能量密度高、低成本、环境友好等优势,被认为是极具潜力的下一代商用化二次电池,然而,其实用化仍受中间产物多硫化物的"穿梭效应"、正极活性物质硫的体积膨胀和低导电性等因素的限制,具有高导电性的碳纳米材料常被用于与硫复合来解决以上问题。本文针对采用碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯作为基体,重点介绍了硫与以上碳纳米材料的复合和相应的硫-纳米碳复合柔性正极材料的设计制备,探讨了提高正极硫含量和利用率的策略,分析了正极材料结构性质与电池电化学性能之间联系,最后对硫-纳米碳复合柔性正极材料的发展前景和面临的挑战进行了展望。     

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.     

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。     

松针状碳纳米管/碳纤维复合碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用

采用热催化化学气相沉积法,在催化剂前驱体预处理的碳纸碳纤维上沉积碳纳米管。沉积的碳纳米管为多壁碳纳米管,石墨化程度高、分布密度高、比表面积大、管径均匀,微观形貌为松针状。以所制备的CNTs/CF复合材料作为三维多孔电子导体制成锂硫电池,S/CNTs/CF电池首次放电比容量达到1 213.6mAh/g,硫的利用率为72.45%,循环55次后比容量保持在798.4mAh/g,比活性炭电池的电化学性能有显著提高,表明S/CNTs/CF复合材料可以有效地提升锂硫电池的循环性能。     

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。     

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%。     

锂离子电池正极材料锂镍钴氧化物的制备

以Ni0 .8Co0 .2 (OH) 2 和LiOH·H2 O为原料 ,采用固相烧结法合成了锂离子电池正极材料LiNi0 .8Co0 .2 O2 ,并用正交试验法对反应温度和反应时间等因素进行了优化 .结果表明 ,通过严格控制各影响因素可以制得结构和性能优良的锂镍钴氧化物正极材料 ,其首次放电比容量大于 1 6 0mA·h/ g ,松装密度大于 2 .0 g/cm3.     

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。     

锂–硫电池硫正极的金属磷化物和硫化物催化载体

Lithium?sulfur batteries are one of the most competitive high-energy batteries due to their high theoretical energy density of 2600 W·h·kg?1. However, their commercialization is limited by poor cycle stability mainly due to the low intrinsic electrical conductivity of sulfur and its discharged products (Li₂S₂/Li₂S), the sluggish reaction kinetics of sulfur cathode, and the “shuttle effect” of soluble intermediate lithium polysulfides in ether-based electrolyte. To address these challenges, catalytic hosts have recently been introduced in sulfur cathodes to enhance the conversion of soluble polysulfides to the final solid products and thus prevent the dissolution and loss of active-sulfur material. In this review, we summarize the recent progress on the use of metal phosphides and borides of different dimensions as the catalytic host of sulfur cathodes and demonstrate the catalytic conversion mechanism of sulfur cathodes with the help of metal phosphides and borides for high-energy and long-life lithium–sulfur batteries. Finally, future outlooks are proposed on developing advanced catalytic host materials to improve battery performance.     

锂硫电池正极复合材料多壁碳纳米管@介孔碳/硫的制备与性能

采用溶剂热法制备多壁碳纳米管(MWCNT)包覆沸石咪唑酯骨架(ZIF-8)而合成的MWCNT@ZIF-8复合材料,通过高温碳化此样品制备MWCNT包覆介孔碳(MWCNT@Meso-C)复合材料,再通过热熔融载硫(S),制得MWCNT@Meso-C/S复合材料。采用X线衍射分析(XRD)、拉曼光谱分析、比表面及孔容分析、热质量分析(TGA)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱仪(EDS)以及电化学测试等手段对不同样品进行表征分析并测试其电化学性能。结果表明:在0.5C倍率下MWCNT@Meso-C/S半电池首次放电比容量为1 114 m A·h/g,100次循环后还有630 m A·h/g,库仑效率保持在99%以上。表明MWCNT@Meso-C/S复合材料有较高的活性物质利用率和良好的循环稳定性。     

CoMoO4水热法制备及其在锂/钠离子电池中的应用

碳基负极材料比容量低,无法满足高能量密度电池的需求.为了进一步寻找高容量长循环寿命的电池负极材料,采用水热反应法制备了自支撑CoMoO₄负极,通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对材料的结构、形貌进行表征,利用循环伏安法和恒电流充/放电等技术对比研究了材料在锂/钠离子电池中的电化学性能.结果表明,CoMoO₄负极在锂离子电池中的首次可逆比容量为1 403.6 mAh/g,首次库伦效率为146.5%,在100 mA/g电流密度下经50次循环后仍然高达793.6 mAh/g;而CoMoO₄负极在钠离子电池中首次可逆比容量仅为314.2 mAh/g,但经50次循环后容量保持率仍有76.4 %.该自支撑负极无需导电剂和粘结剂,电极材料与泡沫镍结合力强,具有优异的循环稳定性.     

中空TiO2/S复合物的制备及作为高性能锂硫电池正极材料

以C球为模板,通过水热反应制备中空结构TiO_2;并通过液相渗入法与单质S复合,制备出锂硫电池正极材料TiO_2/S复合物。利用透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、热重分析(TG)测试手段对复合物进行形貌、结构及不同组分含量确定的表征;利用循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、恒电流充放电测试方法对其进行电化学性能表征。结果证明,单质S与中空TiO_2成功复合;中空结构的TiO_2不仅提高了S正极的导电性,还能有效控制单质S的利用,以及缓解多硫化合物的"穿梭效应",进而大大提高电池的库伦效率和循环性能。     

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。     

锂离子电池正极材料锰酸锂制备方法的研究进展

LiMn2O4以其价格低、电位高、环境友好、安全性能高等优点,成为最有希望取代LiCoO2的主流材料之一.LiMn2O4的生产制备方法众多, 文中详细介绍了锰酸锂的晶体结构特点,阐述了锰酸锂的各种制备方法,探讨了采用不同的原料、不同的制备方法对提高锰酸锂性能的差异.从电解液方面、尖晶石锰酸锂晶体结构层面分析了其容量衰减的原因,希望能够为锰酸锂材料的研究者提供借鉴,为其生产提供理论依据.     

铜掺杂锂硫电池正极材料Li_2S性能研究

锂硫电池因其能量密度高和原材料丰富等优点而备受关注。应用第一性原理方法对Li_2S及其掺杂化合物的晶体结构、电子性质进行了研究。结果表明:掺杂Cu到Li_2S体系显著地减低了Li空位形成能主要是由于Cu引起的新峰通过调制电子以利于Li的嵌入/脱出。     

Ni掺杂锂硫电池正极材料Li_2S性能研究

锂硫电池以其能量密度高和原材料丰富等优点而备受关注。本文采用第一性原理方法研究了Ni掺杂锂硫电池正极材料Li_2S的锂空位形成能。结果表明:Ni引起费米能级处的间隙态通过调制电子以有利于Li的嵌入/脱出。     

介孔碳的制备及其对锂硫电池性能的影响

文章采用硬模板法制备了介孔碳,与单质硫混合制备了锂硫电池正极材料,采用BET、XRD、FESEM等测试手段对材料的性能进行表征,并研究了以介孔碳、导电石墨和碳纳米管为导电基体的锂硫电池的电化学性能。结果表明,硫/介孔碳复合材料为正极的电池在0.1C的放电倍率下首次放电比容量为1 389mA·h/g,0.2C倍率下首次放电比容为1 313mA·h/g,100次循环后,库仑效率保持在95%以上,其电化学性能在3种复合材料中最优。     

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.