锂硫电池正极复合材料研究进展.pdf
《锂硫电池正极复合材料研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《锂硫电池正极复合材料研究进展.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 年 月云南化工 第 卷第 期 ,:锂硫电池正极复合材料研究进展张杰,刘波,马航,万邦隆,贺豫娟(云南云天化股份有限公司研发中心,云南昆明 )摘要:锂硫电池()凭借其超高的能量密度,价格低廉,环境友好等优势,有望成为下一代高性能电化学储能器件。然而,目前锂硫电池在商业化应用的道路上还存在着许多挑战,例如硫正极材料导电性能差,多硫化物的穿梭效应以及充放电过程电池内部的体积膨胀等,均是限制锂硫电池实际应用的重要因素。文章总结了近年来锂硫电池正极材料的研究进展,包括碳 硫复合材料、负载金属的碳 硫复合材料以及导电聚合物 硫复合材料。最后,对锂硫电池未来的研究进行了展望。关键词:锂硫电池;硫正极;多硫
2、化物;穿梭效应;复合材料中图分类号:;文献标识码:文章编号:(),(,):(),:;当今世界,能源短缺愈发严重,开发可以替代化石燃料的新能源体系已迫在眉睫,而锂硫电池()凭借其超高的理论能量密度()成为科学家们研究的热点。自 世纪 年代初期,科研人员首次使用硫元素制备电池正极材料 ,锂硫电池开始逐步进入科研视野 。经过多年的发展,从高温锂硫电池发展到现在的常温锂硫电池,同时锂硫电池的电性能也得到大幅提升,被大家认为最有前景的二次电池体系之一 。与其它锂离子正极材料相比,锂硫电池正极材料具有价格低廉、丰富的原料来源、环保等优点 。但是,该电池体系也存在着一些亟需解决的问题,如活性硫及其硫化物绝缘
3、性、充放电过程中的穿梭效应、锂硫电池正负极反应前后活性材料的体积变化及锂负极枝晶积累等,这些问题导致其实际比容量远远小于理论值,严重阻碍其商业化应用。这些问题总结有如下 个方面:)硫单质和多硫化物在常温下导电性差 ,导致其电化学反应动力学缓慢,因此严重影响锂硫电池的放电效率,解决此类问题通常将硫与碳材料或者导电聚合物复合来提高正极材料的导电性。)锂硫电池在充放电过程中会引发穿梭效应 。穿梭效应是指电池在放电时,正极产生的长链多硫化物不稳定,易在电解质中溶解 ,并且在浓度梯度下穿过隔膜迁移到负极锂表面,二者反应生成短链多硫化物,一部分短链多硫化物穿过隔膜回到正极,重新被氧化成长链多硫化物,在此过
4、程中已经生成不溶性的 会沉积在负极锂表面 ,如此循环往复生成的 在负极锂表面不断沉积形成锂枝晶,引起负极的钝化和活性物质的损耗,进而引起锂硫电池的安全性降低以及容量的迅速衰减。该问题通常的解决策略是将硫与一些含有极性键的化合物复合,例如过渡金属氧化物、导电聚合物以及杂原子掺杂碳材料等,通过物理或者化学吸附多硫化物,以达到抑制穿梭效应的目的。)在不断的充电与放电过程中,硫正极不断的膨胀与收缩会使得电池正极材料的结构坍塌 ,影响电池的性能。发生坍塌的主要原因是在电池充放电过程中,活性物质反应经历固体 液体 固体的过程,由最初的固态硫单质()到最终的固态硫化锂(),二者的密度相差较大,进而导致电池体
5、积的变化 。解决该问题通常会将硫单质与多孔材料复合,通过大量的中孔结构可以缓解电池充放电过程中的体积变化。针对以上问题,目前研究者们在提高电极材料性能方面给出如下解决方案。主要包括将硫正极与碳复合、将硫正极与碳复合之后负载金属以及硫正极与导电聚合物复合等。本文综述了以上 类复合材料在锂硫电池中的应用,并对近年来的正极材料的研究进行了总结和展望。年 月云南化工 第 卷第 期 ,锂硫电池的工作机理锂硫电池的工作示意图及反应机制如图 所示,锂硫电池的正极一般为 单质或者含硫的复合材料等,负极为锂或者锂合金,其充放电的本质为锂硫键的断裂和生成,用离子方程式表示为:幑幐 。当电池放电时,负极失电子生成
6、,通过电解液迁移到正极表面。正极发生的反应较复杂,首先是 发生开环反应,与锂离子结合生成长链 ,接着被还原成 、,这类长链多硫化锂可以快速溶解在醚类电解液中。由图 可看出,该反应的动力学过程很快,拥有较高的电位平台(),其容量贡献率为 。然后 继续被还原成 和 ,而 和 为固相,几乎在电解液中不溶,并且其导电性能很差,因此该过程具有较 慢 的 反 应 速 率,展 现 出 较 低 的 低 电 位 平 台(),其容量贡献率为 。充电过程与放电过程正好相反,经过中间多硫化物直接被氧化为,锂离子得到电子沉积在负极,形成一个完整可逆的充放电过程。图 锂硫电池工作示意图及反应机制 碳 硫复合材料碳材料具有
7、导电性好、比表面积大、丰富的孔隙结构以及优异的电化学稳定性等特点 ,将其与硫复合不仅可以有效地提升复合材料电极的导电性,而且其丰富的孔隙结构可以负载更多的硫活性物质,有利于提升复合材料电极的比容量。另外,碳材料丰富的孔隙结构也可以对穿梭效应起到一定的抑制作用,这将有助于提高锂硫电池的循环稳定性和硫的利用率。根据复合方式的不同,可以将碳 硫复合材料分为导电碳网络 硫复合材料和杂原子掺杂碳 硫复合材料两大类。导电碳网络 硫复合材料目前研究的硫载体碳材料主要有碳纤维、石墨烯、碳纳米管等。等 将化学气相沉积碳纤维与硫复合,设计出一种高活性硫正极复合材料。制备示意图如图 所示,碳纤维将硫晶体串联起来形成
8、导电网络,该结构极大提高了锂硫电池的离子和电子导电性,并有助于抑制充电和放电过程中 中间体的极化,提高硫的利用率。测试结果显示,该电极在 电流下表现出 的高比容量,次充放电循环后保持率为 ,循环稳定性十分出色,这表明化学气相沉积碳纤维 硫复合电极在锂硫电池中拥有良好的应用前景。图 化学气相沉积碳纤维 硫复合材料制备过程示 等 通过熔融扩散法制备了石墨烯 硫复合材料,石墨烯不仅提高了复合材料的导电性,而且石墨烯片层为元素硫提供大量的活性位点,有利于锂离子的传输。电化学测试结果显示,石墨烯 硫复合材料的初始放电容量为 ,经过 个循环后,还有 的比容量,显示出优异的循环性能。杂原子掺杂碳 硫复合材料
9、经过学者们长期对于锂硫电池正极材料的研究,将碳材料与硫复合对于穿梭效应有一定的抑制效果,但是这种物理吸附作用有限。根据 理论,若将碳材料进行杂原子掺杂,例如 、等 ,会产生更强的化学吸附,更大程度抑制多硫化物的穿梭效应,使得锂硫电池的稳定性有极大地改善。等 首先通过水热法将氮引入到石墨烯()中,然后通过原位沉积将硫负载在 片层上形成 复合材料,制备示意图如图 所示。图 制备示意图 年 月云南化工 第 卷第 期 ,可通过物理和化学吸附限制可溶性多硫化物的扩散,抑制其穿梭效应。同时,该复合材料具有层状多孔结构,为硫的加入提供了足够的空间,因此该复合正极中硫含量可高达 。另外,石墨烯骨架可以有效缓冲
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电池 正极 复合材料 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。