硫/碳复合材料在锂硫电池正极中的应用

发布时间：2022-01-20 12:21

　　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。 

【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(09)北大核心

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

锂硫电池工作原理[13]

锂硫电池充放电曲线[15]

微孔碳是孔隙直径小于2 nm的一类多孔碳材料。相比较于介孔碳和大孔碳,微孔碳拥有更高的活性物质利用率[6,18-19]。并且,在物理尺度上更容易限制多硫化物的穿梭[20-21]。Zhang等[22]将单质硫通过熔融扩散的方法封装在含有大量孔隙的微孔球中。将硫封装入微孔中之后,微孔球的比表面积从843.5 m2·g-1降至6.5 m2·g-1,说明微孔被大量的单质硫占据。当硫被封装入碳球后,由于尺寸效应,硫和多硫化物就很难从狭窄的微孔中被释放出来,可以使充放电过程中的电化学反应过程限制在正极一侧的微孔碳球的微孔内,而不是在电解液或者是负极一侧,如图3所示。从而使复合材料具有良好的可逆性和优异的高倍率放电能力。含硫量为42wt%的硫/碳球复合材料在在400 mA·g-1的电流密度下,在进行500圈循环以后,仍呈现出约650 mAh·g-1的可逆容量。这项研究中采用的思路和策略可以为研究者设计负载单质硫的基体材料结构和开发新的电极材料提供思路。2018年,Wu等利用金属有机骨架(MOF)作为模板和前驱体合成了花状微孔氮掺杂碳纳米片[23](见图4)。该特殊结构作为可以有效封装锂硫电池在电化学过程中产生的小的硫分子(S2-4)。所得的硫/碳复合正极材料表现出出色的电化学性能,在0.1 C 的电流密度下循环200次后,可逆容量仍可达1 220 mAh·g-1,甚至在2 C的大电流密度下,经过1 000次长期循环后仍可保持在727 mAh·g-1,每个循环的容量损失仅为0.02%左右。

【参考文献】：
博士论文
[1]石墨烯复合正极材料在锂硫电池中的应用[D]. 王超.华中科技大学 2015



本文编号：3598814