1 1.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
2 2.武汉理工大学 纳微结构研究中心, 武汉 430070
锂硫电池(LSBs)因能量密度高、原料储量丰富、环境友好等优点引起了广泛关注。然而, 多硫化物的穿梭效应、反应过程中较大的体积膨胀以及硫较差的电子电导率等缺点极大地限制了其发展。本研究设计了一种SnS2纳米颗粒与ZIF-8衍生的花状二维多孔碳纳米片/硫复合材料(ZCN-SnS2-S), 并研究了其作为锂硫电池正极的电化学性能。其独特的二维花状多孔结构不仅有效缓解了反应过程中的体积膨胀, 而且为Li+和电子的传输提供了快速通道, 杂原子N也促进了对多硫化物的吸附作用。并且负载的极性SnS2纳米颗粒极大地增强了对多硫化物的吸附, 从而使ZCN-SnS2-S复合材料表现出优异的电化学性能。在0.2C(1C=1675 mA·g-1)电流密度下, ZCN-SnS2-S电极循环100次后仍能保持948 mAh·g-1的高可逆比容量, 容量保持率为83.7%。即使在2C的高电流密度下循环300圈, ZCN-SnS2-S电极仍具有546 mAh·g-1的可逆比容量。
锂硫电池 二维多孔氮掺杂碳纳米片 SnS2 多硫化物 穿梭效应 lithium-sulfur battery 2D porous nitrogen-doped carbon nanosheet SnS2 polysulfide shuttle effect
目前，有机硫化物因具有容量大、资源丰富和结构可调等优点，已成为锂硫电池中最具发展前景的正极材料，其中，有机硫化物因具有丰富的结构设计、优良的储锂性能和特殊的反应机制而备受关注。基于此，回顾了有机硫化物在锂硫电池中的发展历程，综述了小分子多硫化物、聚多硫化物和硫化聚合物的最新研究进展。同时阐明了它们的结构特性和电化学机理，总结了有机硫化物的电池性能与其结构设计和官能团调节的相互关系与优化策略，并对有机硫化物的发展前景进行了探讨。
锂硫电池 有机硫化物 储锂机制 柔性电极 结构设计 lithium-sulfur battery organic sulfides lithium storage mechanism flexible electrode structural design
1 1.上海电力大学 环境与化学工程学院, 上海200090
2 2.上海交通大学 化学化工学院, 上海200240
3 3.郑州大学 化学系, 郑州 450001
硫化聚丙烯腈(S@pPAN)作为锂硫电池正极材料实现了固-固转化反应机制, 没有多硫离子溶解现象, 但电化学循环过程中出现明显的体积变化, 其表界面特性对电化学性能具有重要影响。本研究以单壁碳纳米管(SWCNT)与羧甲基纤维素钠(CMC)复配作为S@pPAN正极黏结剂, 调控S@pPAN表界面并缓解充放电过程中的体积变化。在2C(1C=1672 mA∙g-1)电流密度下, 电池循环140圈后容量保持率为84.7%, 在7C的大电流密度下仍能维持 1147 mAh∙g-1的高比容量。加入SWCNT后复配黏结剂薄膜的极限拉伸强度提升了41倍, 并且复配黏结剂能在循环中维持更加稳定的正极界面, 有效提升了锂硫电池的循环稳定性。
锂硫电池 S@pPAN正极 羧甲基纤维素钠 黏结剂 界面稳定 lithium-sulfur battery S@pPAN cathode sodium carboxymethyl cellulose binder stable interface
1 1.华东理工大学 化学工程联合国家重点实验室, 上海 200237
2 2.中国石化炼油销售公司, 上海 200050
以1-甲基萘热溴化/脱溴聚合沥青为前驱体, 中孔二氧化硅SBA-15为模板, 采用液相浸渍法合成有序中孔炭。通过不同测试手段对中孔炭的微观结构和电化学性能进行了研究。当模板剂和沥青质量比为1:1, 升温速率为 1 ℃·min-1, 碳化温度为900 ℃时, 所制备的中孔炭性能最优, 具有高度有序的二维六方孔道结构, 比表面积为675 m2·g-1, 孔容为1 cm3·g-1, 孔径集中在3.84 nm左右。该中孔炭用于Li-S电池的正极载体材料表现出良好的电化学性能, 在0.2C(1C=1675 mA·g-1)电流密度下经300次循环后放电比容量和容量保持率分别为688 mAh·g-1和67.1%, 在3C电流密度下比容量可达556 mAh·g-1。
甲基萘沥青 硬模板法 有序中孔炭 锂硫电池 methylnaphthalene pitch hard template method ordered mesoporous carbon Li-S battery
中南大学 化学化工学院, 湖南省微纳材料界面科学重点实验室, 长沙 410083
锂硫电池被认为是新一代低成本、高能量密度的储能系统。但由于硫正极导电性差、穿梭效应严重以及氧化还原反应速率慢, 导致电池容量衰减严重, 倍率性能较差。本研究以柠檬酸钠为碳源制备了具有三维中空结构的多孔碳材料, 并在其骨架上负载钴纳米颗粒后作为硫正极的载体。引入的钴纳米颗粒可有效吸附多硫化物, 提升其转化反应的动力学, 进而明显改善电池的循环和倍率性能。所得的钴掺杂复合硫正极在0.5C (1C=1672 mAh·g-1)的倍率下首圈放电比容量高达1280 mAh·g-1, 在1C的倍率下稳定循环200圈后可保持770 mAh·g-1, 并且具有优异的倍率性能, 即使在10C的大电流密度下仍可稳定循环。
锂硫电池 钴纳米颗粒 转化反应 硫正极 lithium sulfur battery cobalt nanoparticle conversion reaction sulfur cathode
东华大学 材料科学与工程学院, 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
生物源材料由于来源丰富、可循环使用、无污染, 并且能够实现多功能化而引起了广泛关注。本研究利用大自然中广泛分布的桦木树干为原料, 通过不同取向切割、去木质素和碳化等过程得到具有相应取向的微孔道结构的生物质炭, 并用作锂硫电池的隔层。生物质炭的比表面积为267.7 m 2/g, 有大量的微孔及介孔。测试结果表明: 沿与电极平面呈45°方向切割所得的生物质炭的电化学性能最好。在0.2C(1C=1650 mA/g)下该生物质炭隔层制备的锂硫电池初始比容量为979.4 mAh/g, 200次循环后保留有625.4 mAh/g, 每圈容量损失率仅为0.18%。该生物质炭隔层可以有效地吸附和阻挡多硫化锂, 减小充放电过程中产生的穿梭效应, 并且桦木的微通道结构和类蒸腾特性可以有效地提高电池的比容量、循环稳定性, 有利于锂硫电池的商业化应用。
锂硫电池 仿生 桦木 隔层 lithium-sulfur battery bionics birch interlayer
1 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 中国科学院能量转换材料重点实验室, 上海 200050
2 中国科学院大学, 北京 100049
采用自组装及热处理方法合成α-MoC1-x纳米晶富集的纳米碳球(α-MoC1-x/CNS), 并将其涂覆在商用聚丙烯隔膜上, 对隔膜实现了界面修饰。电化学性能显示, 与普通的聚丙烯隔膜相比, 采用修饰的α-MoC1-x/CNS-PP隔膜组装的锂硫电池的循环稳定性和倍率性能均得到明显提升, 在0.5C条件下, 电池首周放电比容量提升至1129.7 mAh/g, 经过100周充放电循环后, 电池仍具有855.5 mAh/g的放电比容量, 且在此循环过程中, 库伦效率始终大于98%。在自放电测试中, 电池经过48 h静置后的容量损失率仅为7.7%。结合α-MoC1-x/CNS的微观形貌及XPS分析可知, 在锂硫电池充放电过程中, α-MoC1-x/CNS修饰层有效地阻挡了多硫化锂向负极侧的扩散迁移, 且当α-MoC1-x与多硫离子接触时能产生Mo-S键、硫代和连多硫酸根产物, 进一步巩固了活性物质被约束的程度, 从而使电池性能得到提升。
锂硫电池 穿梭效应 碳化钼 硫正极 lithium sulfur battery shuttle effect molybdenum carbide sulfur cathode
锂硫电池由于具有1 675 mAh?g-1的高理论比容量和2 600 Wh?kg-1的高理论能量密度,被看做是下一代最有前景的二次电池能源储存系统之一。但是，多硫化物的穿梭效应、活性物质导电性差以及充放电过程中的体积膨胀效应等问题阻碍了其进一步商业化。为了解决这些问题，不同的材料被引入和硫进行复合。在所有材料的选择中，碳材料由于具有高的表面积、优异的导电性、化学稳定性和低成本等优势在锂硫电池正极中得到了广泛应用。本文总结了几种不同的碳材料在硫/碳复合正极中的发展历程，讨论了碳材料的结构、孔径大小以及表面功能化对锂硫电池电化学性能的影响，并对其前景以及发展趋势作了预测。
锂硫电池 碳材料 能量密度 穿梭效应 电化学性能 lithium-sulfur battery carbon material energy density shuttle effect electrochemical performance
桂林理工大学材料科学与工程学院,有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室,桂林 541004
近些年,由于制备工艺的不断优化,生物质炭材料作为储能器件(锂离子电池、超级电容器、锂硫电池等)的电极材料得到了快速发展。与此同时,由于存在首次库伦效率低,不可逆容量大,电压滞后,大电流充放电能力弱等问题,大大阻碍了生物质炭材料作为电极材料的应用。而通过杂元素掺杂生物质炭(尤其是杂原子掺杂),可以有效地提高炭材料的润湿性和电子传导性,增加炭材料的缺陷以及活性位点,使其具有优异的电化学性能。本文归纳了杂元素掺杂生物质炭的研究进展,分别对其制备方法,以及在锂离子电池、超级电容器和锂硫电池等能源领域中的应用和前景进行介绍。
生物质炭 杂元素掺杂 锂离子电池 超级电容器 锂硫电池 biomass carbon heteroelement doping lithium-ion battery supercapacitor lithium sulfur battery
