鋰硫電池由于具有1 675 mAh·g^-1的高理論比容量和2 600 Wh·kg^-1的高理論能量密度,被看做是下一代最有前景的二次電池能源儲存系統(tǒng)之一。但是,多硫化物的穿梭效應(yīng)、活性物質(zhì)導(dǎo)電性差以及充放電過程中的體積膨脹效應(yīng)等問題阻礙了其進一步商業(yè)化。為了解決這些問題,不同的材料被引入和硫進行復(fù)合。在所有材料的選擇中,碳材料由于具有高的表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和低成本等優(yōu)勢在鋰硫電池正極中得到了廣泛應(yīng)用。本文總結(jié)了幾種不同的碳材料在硫/碳復(fù)合正極中的發(fā)展歷程,討論了碳材料的結(jié)構(gòu)、孔徑大小以及表面功能化對鋰硫電池電化學(xué)性能的影響,并對其前景以及發(fā)展趨勢作了預(yù)測。 

【文章來源】：人工晶體學(xué)報. 2020,49(09)北大核心

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

鋰硫電池工作原理[13]

鋰硫電池充放電曲線[15]

微孔碳是孔隙直徑小于2 nm的一類多孔碳材料。相比較于介孔碳和大孔碳,微孔碳擁有更高的活性物質(zhì)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]將單質(zhì)硫通過熔融擴散的方法封裝在含有大量孔隙的微孔球中。將硫封裝入微孔中之后,微孔球的比表面積從843.5 m2·g-1降至6.5 m2·g-1,說明微孔被大量的單質(zhì)硫占據(jù)。當(dāng)硫被封裝入碳球后,由于尺寸效應(yīng),硫和多硫化物就很難從狹窄的微孔中被釋放出來,可以使充放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)過程限制在正極一側(cè)的微孔碳球的微孔內(nèi),而不是在電解液或者是負極一側(cè),如圖3所示。從而使復(fù)合材料具有良好的可逆性和優(yōu)異的高倍率放電能力。含硫量為42wt%的硫/碳球復(fù)合材料在在400 mA·g-1的電流密度下,在進行500圈循環(huán)以后,仍呈現(xiàn)出約650 mAh·g-1的可逆容量。這項研究中采用的思路和策略可以為研究者設(shè)計負載單質(zhì)硫的基體材料結(jié)構(gòu)和開發(fā)新的電極材料提供思路。2018年,Wu等利用金屬有機骨架(MOF)作為模板和前驅(qū)體合成了花狀微孔氮摻雜碳納米片[23](見圖4)。該特殊結(jié)構(gòu)作為可以有效封裝鋰硫電池在電化學(xué)過程中產(chǎn)生的小的硫分子(S2-4)。所得的硫/碳復(fù)合正極材料表現(xiàn)出出色的電化學(xué)性能,在0.1 C 的電流密度下循環(huán)200次后,可逆容量仍可達1 220 mAh·g-1,甚至在2 C的大電流密度下,經(jīng)過1 000次長期循環(huán)后仍可保持在727 mAh·g-1,每個循環(huán)的容量損失僅為0.02%左右。

【參考文獻】：
博士論文
[1]石墨烯復(fù)合正極材料在鋰硫電池中的應(yīng)用[D]. 王超.華中科技大學(xué) 2015



本文編號：3598814