锂硫电池正极的研究进展
锂硫二次电池正极研究进展
Ｍ ａ ｙ
Ａ ｔ ．Ｃ ｉ ． ｉ． ０ １ ２ （） １０ －１ １ ｃ Ｐ ａ 一 ｈｍ Ｓｎ ２ １， ７ ５， ０ ５ ０ ６
１０ ０５
ｗ ｗｗ ． ｗｈｘ ｐ ｕ．ｄ Ｏｌ ｂ．ｋ ｅ ｕ．ｉ
关 键 词 ： 锂 环 性 能
中 图分 类 号 ： ０６ ６ ４
Ｒｅ ｅ ｏ ｆ ． ｓ ｔ ｏ ｓ ｆ ｇｈ Ｐｅ ｆ ｍ ａ ｃ ｔ ｕ ｖｉ ｗ ｆＳｕｌ ｕｒＢａ ｅｄ Ｃａ ｈ ｄｅ ｏｒＨｉ ｒｏｒ ｎ ｅ Ｌｉ ｈｉ ｍ Ｒｅ ｈ ｇ ａ ｅ Ｂａ ｔ ｒｅ Ｃ ａｒ ｅ ｂｌ ｔｅ ｉ ｓ
Ｋｅ ｏ ｄ ｙ Ｗ ｒ ｓ： Ｌ ｔ ｉ ｍ— ｕｆ ｒ ｅ ｈ ｇ ａｂｅ ｂ ｔ ｒ ； Ｃａ ｈ ｄ ｉ ｕ ｓ ｌ ｃ ａｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｙ ｈ ｕ ｒ ｅ ｔ ｏ ｅ； Ｓｕ ｆ ｒｂ ｅ ｏ ｐ ｓｔ ａ ｅ ｉ ｌ － ａｓ ｄ ｃ ｍ ｏ ｉ ｍ ｔ ｒ ｕ ｅ ａ
［ ｅ ｉｗ Ｒ ｖｅ ］
锂 硫 二 次 电池 正极 研 究 进 展
姚 真 东 魏 巍 王久林’ 杨 军 努 丽 燕 娜
ｆ 上海交通大 学化 学化工学院， 上海 ２ ０ ４ ） ０ ２ ０
摘 要 ： 综 述 了锂 硫 电池 中硫 基 正 极 材 料 的 制 备 方 法 、 构 特 征 以及 电化 学 性 能 ． 述 了 单 质 硫 正 极 材 料 ， 点 结 简 重
ｃ ｔｏｄ ａｅｒ ｓ ｎ ｉ ｉｍ／ ｕｆ ｒ ｂ ｔ ｒ ｓ ａｒ ｅ ｉｗｅ ｉ ｔｉ ｐ ｅｒ ａ ｈ ｅ ｍ ｔ ｉ ｉ Ｉｈｕ ｓ ｌ ａｔ ｉ ｅ ｒ ｖｅ ｄ ｎ ｈｓ ａｐ ．Ｔｈ ｌｍ ｅ ｔ ｕｆ ｒ ｃ ｔ ｏ ｅ ａｌ ｔ ｕ ｅ ｅ ｅ ｅｅ ｎａＩｓ ｌ ａ ｈ ｄ ｕ
锂硫电池正极材料研究现状
锂硫电池正极材料研究现状1. 引言锂硫电池作为一种有潜力的高能量密度能源储存技术，近年来引起了广泛的关注。
正极材料是锂硫电池中的关键组成部分，直接影响到电池的性能和循环寿命。
本文将深入探讨锂硫电池正极材料的研究现状。
2. 传统锂硫电池正极材料2.1. 硫硫是传统锂硫电池的主要正极材料。
它具有丰富的资源、良好的电化学性能和较高的理论容量，但也存在一些问题。
硫在锂电池中易溶解、极化严重和体积膨胀大等缺点，导致锂硫电池循环寿命较短。
2.2. 多孔炭材料为了解决硫的问题，研究人员开始将多孔炭材料作为锂硫电池的正极材料。
多孔炭材料具有良好的导电性和吸附性能，能够增加硫的反应面积和固定硫，从而提高锂硫电池的性能。
2.3. 复合材料为了进一步提高锂硫电池的性能，研究人员将多孔炭材料与其他功能材料进行复合。
例如，将多孔炭材料与导电聚合物、纳米颗粒或二维材料进行复合，可以提高锂硫电池的导电性、离子传递性和机械稳定性。
3. 新兴锂硫电池正极材料3.1. 金属硫化物金属硫化物是近年来研究的新兴锂硫电池正极材料之一。
金属硫化物具有较高的比容量和较好的循环稳定性，能够缓解锂硫电池在循环过程中的极化问题。
3.2. 导电聚合物导电聚合物是另一种新兴的锂硫电池正极材料。
导电聚合物不仅具有良好的导电性能，还能够固定硫，并提高锂硫电池的循环寿命。
3.3. 纳米颗粒纳米颗粒作为锂硫电池正极材料也受到了广泛关注。
纳米颗粒具有较大的表面积和较好的离子传输性能，可以提高锂硫电池的能量密度和循环寿命。
4. 锂硫电池正极材料的改进策略针对锂硫电池正极材料存在的问题，研究人员提出了一些改进策略，包括： 1. 寻找更稳定的正极材料，以提高锂硫电池的循环寿命。
2. 设计合理的复合材料，以平衡锂硫电池的电化学性能。
3. 探索新的功能材料，以提高锂硫电池的能量密度和功率密度。
4. 优化电池结构和界面设计，以提高锂硫电池的使用寿命和安全性。
5. 结论锂硫电池正极材料的研究已经取得了一定的进展，但仍然存在一些挑战和问题。
锂硫电池正极研究现状及产品化前景
持８ ５ ％。 ｗｕ 等 对硫／ 碳纳米 管复合 正 极进行聚苯胺 （ Ｐ Ａ Ｎｉ ） 包覆 ， 进一步提高 硫／ 碳纳米管复合正极材料的电化学性 能， 得 到的聚 苯胺一 硫／ 多 壁碳 纳米 管 （ Ｐ ＡＮｉ — Ｓ ／ ＭＷＣ Ｎ Ｔ） 复合正极材料首次 放 电比 量高达 １ ３ ３ ４ ． ４ ｍＡ ｈ ／ ｇ ， ８ ０ 次循 环后 ， 放 电比容量仍保持９ ３ ２ ． ４ ｍＡｈ ／ ｇ ， 库 伦 效 率 是未 包 覆 正极 材 料 的 ２ 倍，
达９ ２ ． ４ ％。
等 。 ’ 将单质硫 与膨 胀石墨均匀 混合后
４ ０ ０ ℃加热 ２ ｈ， 制得 含硫 量 ６ ７ ． ２ ％（ 质
量分 数 ） 的硫 ／ 膨 胀 石 墨 复 合 正极 材 料， 电流密度 为 ０ ． ４ ｍＡ／Ｃ ｍ 时， 首 次 放 电比容量达 ９ ７ ２ ｍＡｈ／ ｇ； ２ ０ 次循环 后， 放 电比容量为 ４ ９ ７ ｍＡｈ ／ ｇ 。 （ ８ ）硫 ／石墨烯复合 正极材料 石 墨 烯 是 当 今 备受 关 注 的储 能 材料 之 一 ， 其 比表 面 积 极 高 、 电化 学
重的极化现象 。
（ ３ ）硫 ／ 多孔碳复合正极材料
环 稳定性差 等 问题 已经成为制 约其实 际应用 和产 业 化发 展 的瓶 颈。 如何 提
高 锂硫 电池 的硫利 用率 、 放 电容量 和 循环 稳定性 已经成为锂 硫 电池开 发的 研究 关键 。 本文从 正极材料 、 粘 结剂集 流体 ３ 个方 面对 锂硫 电池 的正 极部 分
制 备 了复合 正极 材料 ， 研 究 了不 同含 硫 量 的 硫／ 多 孔 碳 复 合 正 极 材 料 中 硫 的分 布情 况， 当硫 的质量 分数 小于 ３ ７ ． １ ％时 ， 硫 主要分布在直径 ＜３ ｎｍ的 孔内。 同时研究还表 明 ， 其 首次放 电比
锂硫电池综述
高性能锂硫电池的研究进展摘要：目前传统的锂离子电池在电子产品中发挥着重要作用。
然而受到其较低的理论比容量的限制(约150～200Wh/kg)，锂离子电池将难以满足人类发展的长远需求，例如电动汽车行业的发展。
锂硫电池的理论能量密度为2600Wh/kg，是锂离子二次电池的3～5倍，是极具应用前景的电化学储能体系，近年来引起了研究人员的广泛关注。
人们提高电极导电性、维持电极结构稳定性、提高硫的负载率和利用率以及加强电池循环寿命等方面开展了大量的研究工作。
本文将就近几年锂硫电池的发展进行相关介绍和讨论。
关键词：锂硫电池正极材料纳米结构材料改性电解质电池结构Research progress in High-Performance Lithium-SulphurBatteriesRen Guodong(School of Metallurgy and Environment, Central South University，0507110402)Abstract：Lithium-ion batteries has played an important role in the electronics at present.But due to its low theoretical energy density ,which is only 150～200Wh/kg,therefore the lithium-ion batteries cannot meet the long-term needs of society in the future,just in the case of the development of electric vehicles.Lithium-sulphur battery is a promising electrochemical energy storage system which has high theoretical energy density of 2600Wh/kg,that is 3~5 times to lithium-ion battery.And it has arised more and more attentions recently.Great efforts have been made by reseachers to improve the conductivity of the electrode , the stability of electrode structure,the loading capicity of sulphur ,the utilization efficiency of sulfur in the cathode and the enhancement of cycle life of the battery．In this paper,the recent research of lithium-sulphur battery will be analyzed and discussed.Keywords：lithium-sulphur battery cathode material nano-structure modification electrolyte cell configuration1.前言电能储存技术和设备将会在未来社会发展中成为一项十分重要的需求。
锂硫电池研究进展(课堂PPT)课件
课题背景及意义
锂硫电池：成本低、环境友好、材料来源充足、 理论比容量(1675 mAh g- 1 )和比能量(2500 Wh kg- 1)大
4
课题背景及意义
Li/S电池主要结构
5
存在问题： 1 、S的绝缘性。 2、多硫化物溶解造成活 性物质流失和Li负极的活 性降低，从而导致循环寿 命降低。 3 、S在放电过程中体积发 生膨胀，使结构稳定性发 生破坏。
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国内外研究现状
4 采用全固态结构电池
国内外研究现状
5 采用电化学控制的测试手段
国内外研究现状
6 改进电池其他结构
国内外研究现状
通过对这些文献的分析发现一个普遍的问题，就是 大多研究只追求了高的放电比容量和长的循环寿命， 而忽视了电池材料硫含量和极片硫载量 (“双低”问题 )。
15
Thank You !
主要内容
1
课题背景及意义
2
国内外研究现状
3
目的内容及方
案
4 方案依据及已经取得的进展
1
课题背景及意义
在强大的社会发展需求推动下,锂二次电池技术不断向高能量
密度、高功率密度、和长循环寿命等几个方向发展
输出电压高
能量密度高
使用寿命长
锂离子 电池
自放电率低
环境友好
易携带
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
课题背景及意义
目前己商品化的锂离子电池的能量密度已达150-200 Wh/kg。但受到LiCoO2,LiMn204和LiFeP04等传统正 极材料和碳负极材料自身理论容量的限制,很难进一 步提升其能量密度。
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国内外研究现状
v3纳米线导电网络
也有以带孔的碳纳米线为载体合成的正 极活性材料。具体方法是将溴化十六烷 基三甲铵加入HCl之后，再加入 (NH4)2S2O8 ，搅拌，降温到0-5度。形 成吡咯单体纳米线 10 干燥后600度热处
锂离子电池正极材料的研究进展
锂离子电池正极材料的研究进展锂离子电池正极材料的研究进展随着清洁能源的发展，锂离子电池作为一种高能量、高功率密度的电池，已被广泛应用于移动物体、电动汽车、储能系统等方面，锂离子电池中的正极材料是实现高性能锂离子电池的关键。
本文将从锂离子电池正极材料的发展历程、材料的结构与性能、新型材料的研究和应用等方面展开详细的介绍和分析。
一、锂离子电池正极材料的发展历程20世纪80年代中后期，最早的锂离子电池是由四种材料构成的：平板石墨负极、聚乙烯隔膜、液态电解质和金属氧化物正极。
但是，由于金属氧化物正极的电化学性能不佳，限制了锂离子电池的应用，于是人们开始研究新型的锂离子电池正极材料。
1990年，日产汽车公布了采用碳酸锂电解液和三元材料（LiCoO2）的锂离子电池作为电动汽车动力源的计划。
1997年，索尼公司发布了使用锰酸锂（LiMn2O4）作为正极材料的锂离子电池，在实验室内能够实现高达1000次充放电循环，在国际市场上得到了广泛的推广。
之后，锂离子电池正极材料的研究进入了全新的阶段，市场上出现了一大批新型材料，如LiFePO4、LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2等，已成为锂离子电池领域中的热门研究方向。
二、锂离子电池正极材料的结构与性能锂离子电池正极材料的结构一般是层状结构、尖晶石结构、钠层化合物结构、硅基嵌入化合物结构、钙钛矿结构和氧化物渗透缺陷结构，其物理化学性质也有所不同。
LiCoO2是最早应用于锂离子电池的材料之一，其具有较高的理论容量和电化学效率，但是由于其参数退化、安全性差以及高的成本等问题，不断推进了对新型的锂离子电池正极材料的研究。
LiFePO4是一种锂离子电池正极材料，它具有高的理论容量、低的电化学电位和充电的极高可逆性，但是其电导率较低，电量功率较低，在高功率环境下却发生了否决性的出现。
LiMn2O4是一种高性能的锂离子电池正极材料，其较高的电化学反应速度能够有效提高锂离子电池的安全性，但是容易发生相关的氧化还原反应，导致容量的降低。
锂离子电池正极材料研究进展
锂离子电池正极材料研究进展锂离子电池是目前广泛应用于移动电子设备和电动车辆等领域的重要能量存储设备，其正极材料的性能对电池的性能和循环寿命有着至关重要的影响。
近年来，针对锂离子电池正极材料的研究逐渐受到了广泛关注。
在这篇文章中，将介绍一些最新的研究进展。
首先，锂离子电池正极材料的研究主要集中在提高材料的能量密度和循环寿命。
目前市面上常见的锂离子电池正极材料是钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）和锂铁磷酸锂（LiFePO4）。
然而，这些材料在使用过程中存在着一些问题，比如钴酸锂存在着资源稀缺和价格昂贵的问题，锰酸锂的电化学性能相对较差，锂铁磷酸锂的能量密度较低等。
因此，研究人员开始寻找替代材料。
一种备受关注的材料是含有镍的过渡金属氧化物，比如锂镍钴锰氧化物（Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2）。
这种材料具有较高的能量密度和较长的循环寿命。
另外，研究人员还探索了硅和硫等材料作为锂离子电池正极材料的替代品。
其次，锂离子电池正极材料的微观结构调控也成为一个研究热点。
通过控制正极材料的粒径、纳米结构和晶体结构等参数，可以调节材料的电化学性能。
比如，一些研究表明，通过控制锂离子电池正极材料的晶体结构，可以实现更高的能量密度和更好的循环稳定性。
此外，锂离子电池正极材料的表面改性也引起了广泛关注。
通过在正极材料的表面形成一层保护膜，可以提高材料的循环稳定性和抗固相界面反应能力。
一些研究表明，通过硅、氟等元素的表面覆盖，可以显著改善正极材料的循环性能和容量保持率。
总体来说，锂离子电池正极材料的研究进展主要包括寻找新的材料、微观结构调控和表面改性。
通过这些研究，可以不断提高锂离子电池的能量密度和循环寿命，进一步推动锂离子电池在移动电子设备和电动车辆等领域的广泛应用。
随着移动电子设备和电动车辆市场的不断扩大，对锂离子电池正极材料的需求也越来越迫切。
因此，研究人员在锂离子电池正极材料的改进和创新上投入了大量的精力。
全固态锂硫电池综述
全固态锂硫电池综述
全固态锂硫电池是一种新型的高能量密度电池，具有广阔的应用前景。
本文综述了全固态锂硫电池的研究进展和挑战。
全固态锂硫电池由固态电解质、锂金属阳极和硫正极组成。
与传统液体电解质锂硫电池相比，全固态锂硫电池具有更高的能量密度、更长的循环寿命和更好的安全性能。
目前，全固态锂硫电池的电解质主要包括固态聚合物电解质和固态氧化物电解质。
固态聚合物电解质具有良好的离子导电性和机械强度，但在高温下容易熔化。
固态氧化物电解质具有较高的离子导电性和化学稳定性，但制备成本较高。
全固态锂硫电池的硫正极材料主要包括硫化物、硫化合物和硫/碳复合物。
硫化物和硫化合物具有较高的硫质量比，但容易析出多硫化物并导致电池失活。
硫/碳复合物具有良好的电化学性能和稳定性。
全固态锂硫电池面临一些挑战。
首先，全固态电解质的热稳定性和机械强度需要进一步提高。
其次，锂金属阳极的表面稳定性需要改善，以防止金属锂的表面反应和析出。
同时，硫正极材料的小颗粒尺寸和高活性也需要解决。
总之，全固态锂硫电池具有巨大的潜力，但还需要进一步的研究和开发，以解决其面临的挑战，并实现商业化应用。
锂硫电池的正极与负极研究进展
摘 要 ：锂硫电池由于其理论能量密度高，理论比容量高，环境友好等特性，成为最有潜力应用于电动汽车与电子设备的 能量储存介质之一。然而由于锂硫电池的硫正极绝缘性，多硫化物的溶解导致的穿梭效应和锂负极枝晶等问题，阻碍了锂硫电 池的商业化应用。介绍了锂硫电池正极材料的结构改进与锂负极材料的保护，包括使用不同类型的碳材料与导电金属氧化物用 于正极的导电框架，以及使用电解液添加剂，人工保护层等方式对锂负极进行保护。最后，对锂硫电池的未来发展进行了展望。
Keywords ：lithium sulfur battery ；cathode ；carbon materials ；protection of lithium anode
1 概述 由于全球的石油等化石类能源被日渐消耗，以及石油汽
油等燃烧向空气中大量排放二氧化碳导致气候变暖，人们迫 切需要寻找下一类可持续的，价格低廉并且环境友好的能源 存储系统 [1]。在所有的电化学存储系统中，锂离子电池在二 次充电系统中占据着非常重要的地位。然而锂离子电池最大 能量密度为 240Wh/kg，且锂离子价格贵，并有过充的安全问 题。这些都限制了锂离子电池在市场上的应用 [2]。锂硫电池因 为其较高的理论能量密度和理论比容量而在近些年被广泛研 究。锂硫电池的理论比容量为 1 675mAh /g，理论能量密度为 2 600Wh kg-1，远高于锂离子电池。锂硫电池是由锂负极和硫 正极组成，通过 S-S 键的断裂 - 重组来实现电能与化学能的相 互转变 [3]。
新型锂离子电池材料的研究进展
新型锂离子电池材料的研究进展近年来，随着科技的进步和环保意识的增强，锂离子电池逐渐成为了最受欢迎的电池类型之一。
锂离子电池由于其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优点，广泛应用于移动电子产品、电动汽车、储能电站等领域。
然而，目前市场上的锂离子电池还有一些不足之处，如成本高、能量密度有限、充放电速度慢等。
为了克服这些不足，越来越多的科学家和工程师们致力于寻找新型锂离子电池材料。
本文将介绍一些新型锂离子电池材料的研究进展。
一. 锂硫电池材料研究进展锂硫电池是一种新型的二次电池，相对于锂离子电池而言，其理论能量密度更高。
目前，锂硫电池还处于研究阶段，但已经在实验室中取得了很好的效果。
锂硫电池的电极材料主要由锂金属、锂硫化物和碳等组成。
其中，锂硫化物是锂硫电池的重要组成部分，其在充放电过程中会发生化学反应，释放出锂离子，从而产生电能。
传统的硫电池的主要问题在于硫的溶解和沉积，难以稳定工作。
相应的锂硫电池的研究聚焦在如何克服硫正极的极端不稳定性和过度放电的问题。
近年来，许多研究人员致力于开发新型的锂硫正极材料，其中非金属元素硒的引入成为了一种不错的选择。
硒可以替代硫作为正极材料，从而有效减少硫电池中的溶解和沉积问题。
同时，硒还可以提高电池导电性，增强锂离子传输速度。
硒的引入还具有环保性优点，因为硒在自然界存在广泛且不易消失。
二. 锂空气电池材料研究进展锂空气电池是利用空气中的氧气作为氧化剂来使电池发电的电池。
与其他二次电池相比，锂空气电池具有非常高的能量密度，是目前最具潜力的电池类型之一。
但由于锂空气电池中氧化还原反应过于强烈，因此在寻找合适的电池材料方面面临着挑战。
目前市场上的锂空气电池使用的是铂等贵金属作为催化剂。
但由于成本过高，难以推广应用。
因此，许多研究人员致力于研究可替代贵金属的催化剂。
例如，过渡金属氧化物、氮化物、碳材料等都被广泛研究。
近年来，石墨烯的特殊结构和优异性能，使其成为了一种极具潜力的催化剂材料。
锂硫电池硫导电聚合物正极材料的研究进展
锂硫电池硫／导电聚合物正极材料的研究进展／俞栋等141锂硫电池硫／导电聚合物正极材料的研究进展。
俞栋，徐小虎，李宇洁，汪冬冬，周小中(西北师范大学化学化工学院，生态环境相关高分子材料教育部重点实验室，甘肃省高分子材料重点实验室，兰州730070)摘要综述了锂硫电池硫／导电聚合物正极材料的研究进展。
重点探讨了导电聚合物在硫基正极材料改性中的制备方法、结构设计，并对其中存在的问题进行了分析。
最后对硫／导电聚合物正极材料的进一步发展及商业化应用进行了展望。
关键词锂硫电池正极复合材料导电聚合物中图分类号：TM912文献标识码：A DOI：10．11896／j．iss n 1005—023X 2014．23．029Research Progress of Sulfur／ConductiVe PolymeI’s CathodeMaterials fOr Lithi叫n／SulfurBatteriesYU Dong，XU Xiaohu，LI Yuj ie，WANG Dongdong，ZHOU Xiaozhong (Key Laboratory of Eco_Environment-Related Pol珊er Materials of Ministry of Educa ti on，Ke y L ab or at o ry ofP01)咖er Materials of Gansu P rovin ce，Colle ge of Chemistry&Chemical E n gi n e e ri n g，No rt hw es t N or nl al U ni ve rs it y，L an zh ou 730070)A如sh‘act The res ear ch p r o g r e s s of sulfur／conductive polymers cath ode Imterials for hthiurn／sulfur bat te ri es is s ur n m ar i z ed T h e st r u c t u r al d e s i g n s，p r e p a r a t；o n p r o c e s se s，a n d of c o n d u c t i v e p o l y l n e r s in sulfur composites perfor_m a n c e i m pr o v e m e n t a s cathod e nlateriaIs a r e systeHlaticany discussed and problems as sociated with these rmterials a r ealso analyzed Fina l ly，t he f u rt h er de ve lop me nt an d the commercializat ion of sulfur／conductive polymers cath ode ma te—rials a re d isc uss ed．量(ey w o r d s lithium／sulfur batteries，cathode，composites，conductive polym ers减[20’2¨。
高能锂硫电池正极材料研究进展
高能锂硫电池正极材料研究进展林维捐;谢银斯;黄映恒;何国强【摘要】传统锂离子电池难以满足日益发展的智能电子产品、无人机、高续航电动汽车等使用需求,而锂硫电池的理论比容量达锂离子电池的8倍,且成本低、寿命长、安全性好和环境友好,是新一代储能电池,发展潜力巨大.对锂硫电池的电化学原理、所面临挑战、新型正极材料结构设计的研究进展进行了详细的阐述,并结合对三维多孔碳宿主正极材料机理和构建的研究基础,展望锂硫电池的突破方向及发展前景.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2018(042)011【总页数】4页(P1753-1756)【关键词】锂硫电池;正极宿主材料;高比容量;高比功率【作者】林维捐;谢银斯;黄映恒;何国强【作者单位】广西大学资源环境与材料学院,广西南宁530004;广西大学资源环境与材料学院,广西南宁530004;广西大学资源环境与材料学院,广西南宁530004;广西大学资源环境与材料学院,广西南宁530004【正文语种】中文【中图分类】TM912.9全球能源危机和环境问题日益严重，人类需要减少对化石燃料的依赖，因此大力发展环境友好的新能源和高效储能系统迫在眉睫 [1]。
目前商业化锂离子电池实际比容量均小于200 mAh/g、比能量均小于300 Wh/kg，严重制约电动汽车、电子产品、智能电网等行业的发展，而锂硫电池的理论比能量高达2 500 Wh/kg(2 800 Wh/L)。
硫单质是一种基于“转化反应”的正极材料，其反应理论比容量达到1 672 mAh/g，性价比高、环境友好，恰能满足这一需求[2]。
近年来，锂硫电池也取得了长足进展。
2016年，美国Sion Power公司成功研发出新款锂硫电池(20 Ah@400 Wh/kg)，可用在无人机和电动汽车上，并于2017年上市。
可见，锂硫电池离实现商业化已不遥远，将成为取代锂离子电池的有力竞争者。
1 锂硫电池电化学原理与传统锂离子电池的嵌脱锂反应不同，锂硫电池采用硫或含硫化合物为正极，锂为负极，是通过硫-硫键的断裂/生成来实现电能与化学能的相互转换[3]。
锂硫电池正极材料的改性研究
锂硫电池正极材料的改性研究随着能源危机的日益严重和环保意识的兴起，锂硫电池作为一种绿色能源储存技术备受瞩目。
在锂硫电池中，正极材料起到储存和释放锂离子的关键作用。
然而，锂硫电池的商业化应用还面临着一系列挑战，如容量衰减、低导电性以及多相界面问题等。
因此，对锂硫电池正极材料进行改性研究成为解决这些问题的重要途径。
一、改性方法及原理1.纳米材料改性纳米材料的加入能够形成与硫相容的微观结构，提高锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。
目前，常见的纳米改性方法包括球磨法、气相沉积法、溶剂热法等。
例如，通过球磨法可以得到具有均匀分散的锂硫复合纳米材料，提高其电化学性能。
2.碳材料改性碳材料作为一种良好的导电材料，可以有效提高锂硫电池的导电性能。
石墨烯、碳纳米管等碳材料的引入，能够提高锂离子在正极材料中的传输速率，降低电阻和极化，提高电池的循环寿命和能量密度。
3.复合改性通过复合不同材料，可以将它们的优点互补，形成性能较好的改性正极材料。
例如，将纳米二氧化钛和聚合物改性的碳材料复合，可以提高锂硫电池的导电性能和循环稳定性。
二、改性材料的性能和应用锂硫电池正极材料的改性能够显著改善电池的性能和稳定性。
首先，改性材料具有更高的硫比容量和倍率性能，从而提高了电池的能量密度。
其次，改性材料能够降低极化和电阻，提高锂离子的迁移速率。
此外，改性材料还能够抑制锂枝晶的生长，减小电池容量的衰减。
改性正极材料的应用潜力巨大。
锂硫电池具有高比能量、低成本和环保等特点，被广泛应用于电动汽车、储能系统和移动设备等领域。
改性正极材料的研究不仅可以提高锂硫电池的性能，还能够推动其在新能源领域的应用。
三、改性研究的挑战和未来展望虽然锂硫电池正极材料的改性研究取得了一些进展，但仍然存在一些挑战。
首先，改性过程需要考虑材料的成本和可扩展性。
其次，改性材料的合成方法和工艺条件需要进一步优化。
最后，改性材料在电池循环寿命和安全性方面仍然存在问题，需要更深入的研究。
锂硫电池的高能量密度与长寿命特性
锂硫电池的高能量密度与长寿命特性随着科技的不断发展，能源领域正面临着日益增长的需求和环境保护的压力。
锂硫电池作为一种新兴的储能技术受到了广泛的关注。
它以其高能量密度和长寿命特性，成为了未来可持续能源存储体系的重要组成部分。
本文将重点探讨锂硫电池的这些特性以及相关的研究进展。
1. 高能量密度锂硫电池相较于传统的锂离子电池，在能量密度方面具有明显优势。
其能量密度较高，主要源于锂硫电池具有更高的理论比容量和较低的相对分子质量。
锂硫电池的理论比容量是锂离子电池的5倍左右，使其在同等体积下能储存更多的能量。
此外，锂硫电池的正负极材料的选择和结构设计也对能量密度的提升起到了重要作用。
2. 长寿命特性锂硫电池具有更长的服务寿命，这也是其吸引人的特点之一。
与锂离子电池相比，锂硫电池的阳极和硫正极都具有高安全性和环境友好性。
此外，锂硫电池克服了锂离子电池在充放电循环次数上的限制，可实现更多的循环寿命。
近年来，许多研究人员通过材料改性、界面改良和电解液优化等方法，进一步提升了锂硫电池的循环寿命。
3. 研究进展为了充分发挥锂硫电池的高能量密度和长寿命特性，研究人员在多个方面进行了深入的研究。
首先，在阳极方面，采用导电性较好的材料可以提高锂离子的传输速率，减小电阻，从而改善电池性能。
同时，对硫正极进行改性也是提高锂硫电池性能的重要途径。
通过合成多孔结构和纳米材料，可以增加硫的负载量和稳定性，提高电池的循环寿命。
此外，优化电解液的配方和界面改良也是改善锂硫电池性能的关键。
4. 应用前景锂硫电池作为一种具有高能量密度和长寿命特性的储能技术，有着广阔的应用前景。
其在电动车、便携式电子产品以及可再生能源储能等领域具有巨大潜力。
然而，锂硫电池仍然面临着一些挑战，如低循环稳定性和电解液的热不稳定性等。
因此，进一步的研究和技术创新是必要的，以推动锂硫电池的商业化应用。
总结：锂硫电池作为一种具有高能量密度和长寿命特性的储能技术，逐渐成为可持续能源存储领域的研究热点。
锂硫电池综述nature
锂硫电池综述nature引言：锂硫电池是一种新型的二次电池技术，具有高能量密度、低成本、环境友好等优点，被广泛认为是下一代能源储存技术的候选者之一。
本文将综述锂硫电池的研究现状、优势和挑战，以及未来的发展方向。
1. 锂硫电池的原理和结构锂硫电池的正极材料是硫，负极材料是锂，两者之间通过电解质隔膜分隔。
在充放电过程中，锂离子在电解液中穿梭，与硫反应形成锂硫化物，实现电能的转化和储存。
锂硫电池的结构相对简单，包括正负极、电解质和隔膜。
2. 锂硫电池的优势锂硫电池相比传统的锂离子电池有以下优势：(1) 高能量密度：硫的理论比容量高达1675 mAh/g，远超锂离子电池的理论比容量；(2) 低成本：锂硫电池采用廉价的硫作为正极材料，相比于锂离子电池的钴、镍等贵金属，成本更低；(3) 环境友好：锂硫电池的主要成分是硫和锂，无毒、可循环利用，对环境污染较小。
3. 锂硫电池的挑战锂硫电池在实际应用中还面临一些挑战：(1) 自放电率高：硫正极材料具有较高的自放电率，导致电池在长时间存储和使用过程中容易失去电能；(2) 低循环寿命：锂硫电池在长期循环充放电过程中，正负极材料之间的反应会导致材料的损耗和极化，降低电池的循环寿命；(3) 容量衰减：锂硫电池在充放电循环中，由于硫的溶解和扩散，会导致电池容量的衰减。
4. 锂硫电池的研究进展为了克服锂硫电池的挑战，许多研究机构和企业都投入了大量的研发工作，取得了一些重要的突破。
其中包括：(1) 材料改良：通过改良硫正极材料的结构和导电性能，提高电池的循环寿命和容量保持率；(2) 电解液优化：调整电解液的成分和浓度，减少电池的自放电率和极化现象；(3) 富锂负极设计：设计新型的锂负极材料，提高电池的能量密度和循环寿命；(4) 界面工程：通过调控正负极材料之间的界面结构，提高电池的电荷传输速率和稳定性。
5. 锂硫电池的未来发展方向为了实现锂硫电池的商业化应用，还需要进一步解决其面临的挑战。
锂离子电池正极材料研究综述
锂离子电池正极材料研究综述1.引言锂离子电池具有高能密度、长循环寿命和无污染等优点，已广泛应用于手机、笔记本电脑、照相机等电子设备中。
在电动汽车、能源储存等领域中也得到了越来越广泛的应用。
作为锂离子电池的重要组成部分，正极材料的性能和结构对电池的性能和寿命有着重要的影响。
因此，在研究和开发更高性能的锂离子电池过程中，正极材料的研究备受关注。
本文对锂离子电池正极材料的研究综述，以期为相关领域的研究者提供参考。
2.锂离子电池正极材料分类锂离子电池正极材料可以分为三类，即金属氧化物、磷酸盐和硫化合物。
2.1 金属氧化物金属氧化物作为锂离子电池正极材料的开发历史最长，目前已有多种材料应用于商业电池中，如锰酸锂、钴酸锂、三元材料等。
其中，锰酸锂材料具有比较优良的能量密度和稳定性，但其容量和循环寿命较差。
钴酸锂材料具有高能量密度和较好的循环寿命，但由于成本和安全性等问题，其市场占有率有所下降。
三元材料是由钴、镍和锰等元素组成的复合材料，具有高能量密度和长循环寿命，是目前商业化程度较高的锂离子电池正极材料之一。
2.2 磷酸盐磷酸盐材料作为新型锂离子电池正极材料受到了广泛的关注和研究。
磷酸铁锂是目前最为成熟的磷酸盐正极材料之一，具有高循环寿命、低成本和较好的安全性等优点。
其容量和能量密度虽然不及钴酸锂和三元材料，但有望成为下一代锂离子电池正极材料的主流。
此外，锂钒磷酸盐、锂铁磷酸盐等磷酸盐材料也得到了研究和应用。
2.3 硫化合物硫化合物作为一类新型锂离子电池正极材料，具有高能量密度和低成本等优点，是近年来备受关注的研究方向之一。
硫化亚铁（FeS）、硫化镁（MgS）、硫化钠（Na2S）等材料均已被研究和应用。
但硫化合物材料的循环寿命、安全性等问题仍需进一步研究解决。
3.锂离子电池正极材料研究进展3.1 金属氧化物材料3.1.1 锰酸锂材料锰酸锂材料是锂离子电池中应用最广泛的正极材料之一。
近年来，研究者致力于提高锰酸锂材料的性能，如提高其容量、循环寿命和安全性等。
锂硫电池硫基正极材料研究进展
锂硫电池硫基正极材料研究进展
田文增;魏敏
【期刊名称】《船电技术》
【年(卷),期】2024(44)1
【摘要】锂硫电池由于具有高理论比能量密度(2600 Wh/kg)、高理论比能量(1675 mAh/g)、原料低廉、环境友好等优点,逐渐成为继锂离子电池之后的又一研究热点。
正极作为组成电池的关键部件,由于穿梭效应所造成的电极腐蚀及多硫化物溶解等现象极大阻碍了锂硫电池的实用化进程。
本文从硫基正极材料改性角度入手,介绍了近年来对于单质硫基复合材料及非溶解机制含硫正极材料的研究进展,包括碳/单质硫复合材料、金属氧化物/单质硫复合材料、硫化碳炔正极材料等。
最后对硫基正极的未来发展方向进行了总结和展望。
【总页数】5页(P64-68)
【作者】田文增;魏敏
【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TM911
【相关文献】
1.锂硫电池硫基碳正极材料的研究进展
2.锂硫电池硫基碳正极材料及其改性研究进展
3.锤式破碎机与辊式破碎机在同型号篦冷机上的应用对比
4.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5.木质素基碳/硫纳米球复合材料作为高性能锂硫电池正极材料
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锂硫电池正极材料的研究进展
锂硫电池正极材料的研究进展摘要：锂硫电池具有高达2600 Wh▪kg-1的理论比能量以及1672 mAh▪g-1的理论比容量，远大于现阶段使用的商业化二次电池，被越来越多人所关注。
本文主要介绍了锂硫电池正极材料的研究进展，从结构调控型碳/硫复合正极材料、非金属元素表面修饰碳/硫复合正极材料、非碳添加剂/硫复合正极材料这三个方面进行说明，以此来突破锂硫电池目前所存在的问题。
关键词：锂硫电池；正极材料锂硫电池由单质硫正极、电解液、隔膜和金属锂负极构成。
反应机理为电化学机理，以硫为正极反应物质，以锂为负极。
在构成锂硫电池的四个部分中，正极具有极为重要的作用。
因此，大量的研究者都希望通过对正极材料的设计来攻克锂硫电池目前主要存在的单质硫导电性差、充放电产物绝缘、中间产物具有穿梭效应与活性物质的体积膨胀等本征问题，从而实现锂硫电池的商业化生产。
依照不同的设计角度，正极材料大体分为以下几类：1.结构调控型碳/硫复合正极材料碳材料广泛存在于自然界中，具有稳定的理化性质。
碳材料的引入可以显著提高正极材料的导电性，并有效缓冲活性物质的体积膨胀，避免了充放电过程中正极电极结构的粉化与脱落。
（1）多孔碳多孔碳是以碳质材料为结构基元组成的具有多孔结构的功能材料。
根据碳材料孔径分布，可以将其分为微孔（孔径小于2 nm）、介孔（孔径在2~50 nm 之间）、大孔（孔径大于50 nm）、和分级孔（具有多种孔道结构）碳材料。
其高孔隙率和高比表面积有利于硫的储存和均匀分布，并且多孔结构对多硫化物溶解和扩散具有抑制作用，有效减缓了“穿梭效应”，提高了电池的电化学性能和稳定性[1]。
（2）分级多孔碳微孔碳具有较高的比表面积，能确保单质硫在导电骨架中的分散和接触，同时其强物理吸附能力可以有效抑制“穿梭效应”。
但是微孔难以负载大量的活性物质，限制了电池整体的能量密度。
介孔碳较微孔碳具有更高的硫负载量，并能有效地缓解充放电过程中的体积膨胀。
锂硫电池正极材料的研究进展
第40卷第4期2021年4月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.40㊀No.4April,2021锂硫电池正极材料的研究进展查㊀成,张天宇,季雨辰,刘树和(昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明㊀650093)摘要:世界能源短缺危机日益严重,发展可再生能源成为必然趋势,而储能系统的研究则成为其中的关键㊂另外,锂离子电池在电子设备中有着重要的作用,但是其较低的理论比容量,使之难以满足大型电子设备的需求㊂锂硫电池具有数倍于锂离子电池的理论比能量密度(2600Wh㊃kg -1)和理论比容量(1675mAh㊃g -1),而且单质硫储量丰富㊁价格低廉,因此锂硫电池是非常具有应用前景的储能器件㊂正极材料对锂硫电池性能具有重要的影响,并得到广泛研究㊂本文综述了近年来硫/碳㊁硫@碳/金属化合物㊁硫/杂原子掺杂碳以及负载催化剂的硫/碳等各类复合材料在锂硫电池中的研究进展,并对其发展进行了展望㊂关键词:锂硫电池;硫正极;复合材料;电池结构;电化学性能中图分类号:O646㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2021)04-1352-09Research Progress of Cathode Materials for Lithium-Sulfur BatteryZHA Cheng ,ZHANG Tianyu ,JI Yuchen ,LIU Shuhe(Faculty of Metallurgy and Energy Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)Abstract :With the world energy shortage crisis becoming more and more serious,the development of renewable energy has become an inevitable trend,and the research of energy storage system has become a key issue.Lithium-ion battery plays an important role in electronic equipment,but its low theoretical specific capacity makes it difficult to meet the needs of large scale electronic equipment.With theoretical specific energy density (2600Wh㊃kg -1)and theoretical specific capacity (1675mAh㊃g -1)several times higher than those of lithium-ion battery,source-abundance and low price of sulfur,lithium-sulfur battery is a very promising energy storage device.Cathode materials have an important impact on the performance of lithium-sulfur batteries,which have been widely studied.In this paper,the recent research progress of sulfur /carbon composites,sulfur@carbon /metal compounds composites,sulfur /heteroatom doped carbon composites and sulfur /carbon composites loaded with catalysts in lithium-sulfur batteries was reviewed,and their future development was prospected.Key words :lithium-sulfur battery;sulfur cathode;compound material;battery structure;electrochemical performance收稿日期:2020-12-09;修订日期:2021-01-19基金项目:国家自然科学基金(51264016);昆明理工大学分析测试基金(2020M20192202131)作者简介:查㊀成(1996 ),男,硕士研究生㊂主要从事锂硫电池正极材料的研究㊂E-mail:825539861@通信作者:刘树和,副研究员㊂E-mail:2538234121@0㊀引㊀言随着科技的发展,电化学储能技术和器件已经成为材料领域必不可少的要素㊂传统的锂离子电池具有长循环寿命㊁低污染㊁低成本㊁无记忆效应等优点,是各类电子设备最主要的供能装置㊂在锂离子二次电池中,相对于负极材料来说,低比容量的正极材料一直是制约其发展的主要因素㊂因此,探索新型的正极材料,研发具有更高能量密度的新型二次电池体系是十分必要的㊂在目前已知的正极材料当中,单质硫具有较高的理论比容量1675mAh㊃g -1,与金属锂负极构成的锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh㊃kg -1,是传统锂离子电池的3~5倍[1]㊂同时,相对于常见的锂离子电池正极材料,如LiCoO 2㊁LiMnO 2㊁LiFePO 4等,单质硫具有价格低廉㊁安全性高㊁环境友好㊁分布广泛等特点,是一种具有广泛应用前景的正极材料㊂因此,锂硫电第4期查㊀成等:锂硫电池正极材料的研究进展1353㊀池正极材料的研究,成为近些年储能材料研究的一个热点㊂尽管具有上述明显的优点,锂硫电池正极材料也存在着一些亟待解决的问题,比如:(1)单质S 和放电产物(Li 2S n ,1ɤn ɤ2)在常温下较低的离子/电子导电性,严重影响了电池的功率密度和S 的利用率[2-5];(2)锂离子与硫电极在充放电过程中发生的反应是多步反应,反应产生的中间产物多硫化锂(Li 2S n ,4ɤn ɤ8)容易溶解在有机电解液中,并且在浓度梯度下发生 穿梭效应 产生枝晶,腐蚀金属锂负极导致正极活性物质的流失和严重的自放电现象,造成电池容量的快速衰减[6-9];(3)电池的充放电过程中,S 正极会发生体积的膨胀和收缩,导致正极材料结构的崩塌[10-13],从而引起电池容量的快速衰减㊂图1㊀锂硫电池充放电工作原理示意图Fig.1㊀Schematic diagram of charge and discharge principle of lithium-sulfur battery 上述问题严重制约了锂硫电池的商业化应用㊂为了克服锂硫电池正极材料的这些缺陷,正极材料的改性得到广泛研究,并取得较大进展㊂锂硫电池的反应原理是氧化还原反应,其充放电工作原理如图1所示㊂锂硫电池放电时,负极失去电子生成Li +,Li +通过电解液迁移到正极表面,硫通过外电路得到电子与Li +形成硫化物㊂充电时,电极的反应过程与放电时相反㊂正负极反应过程中的电势差为锂硫电池的放电/充电电压[14-15]㊂锂硫电池的电极反应如式(1)~式(6)所示㊂正极:S 8+2Li ++2e -⇌Li 2S 8(1)3Li 2S 8+2Li ++2e -⇌4Li 2S 6(2)2Li 2S 6+2Li ++2e -⇌3Li 2S 4(3)Li 2S 4+2Li ++2e -⇌2Li 2S 2ˌ(4)Li 2S 2+2Li ++2e -⇌2Li 2Sˌ(5)负极:2Li⇌2Li ++2e -(6)早期的锂硫电池正极材料结构简单,电池性能并不出色㊂在进一步的研究中,采用了相对复杂的电极材料和结构,由此锂硫电池的性能得到了很大提升㊂本文从硫/碳㊁硫@碳/金属化合物㊁硫/杂原子掺杂碳以及负载催化剂的硫/碳等各类复合材料在锂硫电池中的研究进展进行综述,并对其发展进行了展望㊂1㊀硫/碳复合材料在锂硫电池正极材料的研究中,硫/碳复合材料仍然是研究的热点㊂硫/碳复合材料中,碳材料构建的导电网络可以改善单质硫自身导电性差的缺陷,从而提高材料导电性㊂碳材料的多孔特性可以使硫均匀分布到碳材料孔隙中,从而提高硫的负载量㊂碳材料自身具有的机械强度,在一定程度上能够减轻充放电过程中电极体积的膨胀和收缩㊂1.1㊀自支撑硫/碳复合材料碳材料,如碳纳米管㊁碳纳米纤维㊁碳布和石墨烯[16-20]等,每种碳材料之间都容易互相交织在一起形成导电网络,这种结构不仅有利于电子的转移,提高硫的利用率,并且还能够提供一定的机械支撑,来缓冲硫元素体积的变化㊂因此,这些碳材料被广泛应用在自支撑电极的构建上㊂Yuan 等[21]制备了短多壁碳纳米管(MWCNT)和长碳纳米管(VACNT)相结合的分层独立碳纳米管,短多壁碳纳米管为导电骨架,长碳纳米管为导电网络,同时作为机械性的自支撑结构,如图2所示㊂单层独立碳纳米管的载硫量达到6.3mg㊃cm -2,三层碳纳米管相叠加载硫量达到17.3mg㊃cm -2㊂在0.05C 倍率下,该电极首次放电比容量为995mAh㊃g -1,循环150次后容量保持率为97%,表现出了良好的循环性能㊂Li 等[22]用聚丙烯腈(PAN)和聚苯乙烯(PS)作为前驱体制备碳纳米纤维,如图3所示㊂纤维相互交织在一起形成导电网络,利于电子的转移,同时纤维上所形成的孔隙可以储存较多的硫(质量分数为85.1%)㊂在0.1C 倍1354㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷率下,该电极首次放电比容量为1314mAh㊃g -1,在2C 倍率下放电比容量仍然可以达到363mAh㊃g -1㊂Miao 等[23]将废旧衣物碳化后得到多孔碳布,然后将硫负载至碳布上,得到的复合材料首次放电比容量达到1100mAh㊃g -1,经过50次循环后,容量保持率达到96%,展现出了较好的循环稳定性㊂Zhang 等[24]通过微乳液组装法制备了三维多孔石墨烯@C 3N 4复合材料(GCN),用作锂硫电池的正极材料㊂该复合材料内部的油乳化液作为软模板,形成孔隙以容纳硫,使复合材料的硫质量含量高达82%㊂同时坚固且多孔的三维石墨烯框架提供了高效的电子/锂离子传输途径,实现了快速动力学,并使该材料具有良好的结构完整性㊂S /GCN 电极在10C 大倍率下,首次放电比容量仍有612mAh㊃g -1,在0.3C 倍率下循环800次后,每次的容量衰减率仅为0.017%㊂图2㊀自支撑碳纳米管正极制备过程示意图[21]Fig.2㊀Schematic diagram for preparation process of self-supporting carbon nanotube cathode[21]图3㊀自支撑的多通道碳纳米纤维SEM 照片[22]Fig.3㊀SEM images of self-supporting carbon nanofibers [22]1.2㊀多孔碳载硫结构多孔碳具有导电性好,孔隙结构(比表面积㊁孔径分布和孔容等)易于调节等优势㊂不同孔径的碳孔在复合材料中起到的作用不同:大孔(孔径>50nm)一般充当电解质的容器,容纳足够多的电解质以促进电化学反应;介孔(2nmɤ孔径ɤ50nm)可以形成电解质的通道,促进离子间的传递;微孔(孔径<2nm)则对活性物质硫有吸附作用㊂多孔碳中的孔壁作为单质硫支撑骨架增强其电子导电性,孔隙起到物理限域的作用来吸附多硫化物㊂通过调节孔隙数量和孔径大小,可以缓解硫元素在反应过程中因体积变化所带来结构的破坏和坍塌㊂因此,多孔碳材料在锂硫电池正极材料中有着广泛的应用㊂Zhong 等[25]在密闭的高温高压状态下,对大米做碳化处理,得到一种纳米或微米级相互连接的多孔碳结构(PRC)㊂这种碳材料的比表面积达1492.2m 2㊃g -1,孔隙率达到了85.1%,可容纳高达4mg㊃cm -2的硫㊂相互连接的孔隙为电子传递提供了导电通道,同时又可以容纳足够多的电解质以促进电化学反应㊂在0.2C 倍率下,PRC /S 电极首次放电比容量为1257.2mAh㊃g -1,循环500次后放电比容量为821mAh㊃g -1㊂性能远胜于同等条件下的三维还原氧化石墨烯(3D S /rGO)电极㊂Li 等[26]采用模板法和纳米喷涂表面涂覆法制备了高度有序的介-微孔核壳碳结构(MMCS)㊂该材料的内核结构具有较高孔容,总孔容为1.26cm 3㊃g -1,可以负载较多的硫(质量分数为72%),同时具有高度有序的导电通道,增加了材料的导电性;外壳结构则作为物理屏障限制了多硫化物的扩散㊂S /MMCS 电极在0.5C 倍率下,起始放电比容量为1037mAh㊃g -1,循环200次后放电比容量仍然达到837mAh㊃g -1,容量保持率为80%,即每圈的容量衰减率为0.1%㊂试验结果表明,该复合电极中的多硫化物向电解质中的扩散可以极大地减少㊂Schuster 等[27]制备了具有高孔容(2.32cm 3㊃g -1)和高比表面积(2445m 2㊃g -1)的球形介孔碳㊂然后,在155ħ将硫注入到这些碳球的介孔(3.1~6nm)中,得到硫的质量含量为49.7%的硫/碳复合材料㊂在1C 倍率下,该电极首次放电比容量为1200mAh㊃g -1,100次循环后容量保持率为61%㊂提高碳球中硫的负载量至质量分数为61.4%,电极的首次放电比容量为1070mAh㊃g -1,100次循环后容量保持率为65%㊂Xia 等[28]以铁苏叶为原料,采用醋酸清洁其空腔中的灰分,从而避免孔隙堵塞的问题,制备了生物基多孔碳材料(FCB)㊂该材料具有介孔和微孔结构,为硫的储存提供天然高效的空间并缓冲体积膨胀,其比表面积达到2954m 2㊃g -1,孔体积达到1.39cm 3㊃g -1㊂由S /FCB 复合材料做成的正极在0.1C 倍率下首次放电比容量为1317mAh㊃g -1,循环㊀第4期查㊀成等:锂硫电池正极材料的研究进展1355 200次后放电比容量仍有790mAh㊃g-1,每次循环的容量衰减率仅为0.068%㊂2㊀硫@碳/金属化合物复合材料某些金属化合物(如金属氧化物㊁金属硫化物和金属氮化物等)拥有极性的金属-非金属化学键从而提供了大量的活性位点,对多硫化物有吸附作用,因此可应用于锂硫电池的正极材料中㊂2.1㊀硫@碳/金属氧化物金属氧化物,如TiO2㊁MnO2㊁Co3O4㊁V2O5㊁MoO2和MgO等,由于具有金属阳离子和氧阴离子,表面存在大量极性位点,因此是有效的多硫化物吸附剂㊂与非极性碳材料不同,具有强极性的金属氧化物被认为可以形成较强的化学键,因此能有效地将多硫化物限制在正极中[29]㊂Liang等[30]制备了MnO2纳米片作为多硫化物的吸附材料㊂首先Li2S n(n>2)与MnO2反应形成表面结合的硫代硫酸盐基团,然后Li2S n与硫代硫酸盐基团继续反应形成连多硫酸盐(无机硫化物在氧化成硫酸盐过程中形成的中间体),并最终转化为不溶性的Li2S2/Li2S,从而实现对可溶性Li2S n的固定㊂该工艺抑制了多硫化物的 穿梭效应 ,减少了充放电过程中活性物质的损失,提高了硫的利用率㊂含硫质量分数为75%的S/MnO2复合电极在0.2C倍率下,首次放电比容量为1120mAh㊃g-1,循环200次后仍有1030mAh㊃g-1的高放电比容量㊂Wei等[31]通过原位碳热还原法制备了介孔Magnéli相的Ti4O7微球基体(MM-1)㊂该材料具有较高的比表面积(197.2m2㊃g-1)和孔体积(0.39m3㊃g-1),平均孔径为20.4nm㊂分析得出Ti4O7微球的多孔结构提供了物理导电网络,提高了材料导电性㊂并且材料表面的氧空位形成了Ti-S键,增强了对多硫化锂的化学吸附,限制了多硫化锂在电解液中的溶解㊂该S/MM-1复合电极在0.1C倍率下,初始放电比容量为1320mAh㊃g-1,在0.5C倍率下初始放电比容量为1289mAh㊃g-1,200次循环后的放电比容量为913mAh㊃g-1㊂Yang等[32]以三维ZnO纳米晶须为模板,采用化学气相沉积法合成了ZnO内嵌铁蒺藜状复合碳材料(TCS/ZnO),如图4(a)所示㊂ZnO纳米颗粒具有强的化学吸附特性,通过极性相互作用, ZnO将多硫化锂限制在其表面㊂同时具有独特三维铁蒺藜状的碳壳晶须提供了导电网络,增加了材料导电性;并且,中空的内部结构可以容纳硫体积的膨胀㊂S@TCS/ZnO电极在0.2C倍率下,初始放电比容量为1284mAh㊃g-1,100次循环后放电比容量为815mAh㊃g-1,S@TCS/ZnO和S/TCS电极的循环性能如图4(b)所示㊂图4㊀TCS/ZnO的SEM照片和不同电极在0.2C倍率下的循环性能[32]Fig.4㊀SEM image of TCS/ZnO and cycling performance of different electrodes at0.2C rate[32]2.2㊀硫@碳/金属硫化物随着金属硫化物的制备方法日渐完善,金属硫化物被用于锂硫电池正极当中㊂金属硫化物由金属阳离子和硫阴离子组成,其中的金属阳离子与多硫化锂有较强的吸附作用,因此可以限制多硫化锂的溶解㊂Zhang等[33]将FeS2加入到石墨烯中并作为正极材料,通过FeS2与多硫化锂(Li2S n)反应生成Li2FeS2+n 活性络合物,如式(7)所示,极大地减少了溶解的多硫化物的扩散,展现出了良好的化学吸附特性㊂添加FeS2的锂硫电池在0.5mA㊃cm-2首次放电比容量为1230mAh㊃g-1,循环200次后放电比容量为1356㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷706mAh㊃g-1,表现出了良好的循环性能㊂Li等[34]通过微波热合成法,合成了含NiS2的氧化石墨烯复合材料(NiS2/rGO)并负载硫制成正极片㊂试验发现NiS2与多硫化锂有很强的化学键合作用,可以吸附多硫化锂,表明NiS2具有良好的化学吸附特性㊂另外,石墨烯的加入增加了材料的导电性㊂在1C倍率下S@NiS2/rGO电极首次放电比容量为952.6mAh㊃g-1,循环800次后放电比容量仍然可以达到400mAh㊃g-1,每圈的库伦效率约为98%,电极循环性能优于同等条件下的氧化石墨烯/硫(S/rGO)电极㊂Lei等[35]采用水热法合成了WS2包覆碳纳米纤维(CNFs)的复合材料(C@WS2)㊂WS2具有极性,可以与多硫化锂反应,限制多硫化锂的溶解,从而达到化学吸附的目的,结果如图5(a)所示㊂同时,相互交织的碳纳米纤维构成了导电网络,增加了材料的导电性㊂C@WS2/S电极在0.1C倍率下,首次放电比容量达到1501mAh㊃g-1,在3C高倍率下首次放电比容量达到450mAh㊃g-1,如图5(b)所示㊂FeS2+Li2S n⇌Li2FeS2+n(7)图5㊀对Li2S6的吸附试验和C@WS2/S电极在不同倍率下的性能[35]Fig.5㊀Adsorption experiment of Li2S6and performance of C@WS2/S electrode at different rates[35]2.3㊀硫@碳/金属氮化物金属氮化物由金属阳离子和氮阴离子组成,如TiN㊁VN等㊂这些材料具有良好的导电性,同时对多硫化物具有一定的化学吸附特性,因此被用于锂硫电池正极材料中㊂Hao等[36]通过蚀刻的方法制备了多孔氮化钛(TiN)复合材料,并用于锂硫电池正极中㊂TiN与多硫化锂反应生成了Ti-S键和N-S键,具有良好的化学吸附性㊂TiN的多孔结构提供了物理导电网络,提高了材料导电性㊂该电极在0.5C倍率下首次放电比容量为1012mAh㊃g-1,在5C高倍率下首次放电比容量仍有550mAh㊃g-1,表现出良好的循环性能㊂该方法为开发高性能锂电池提供了一种简单有效的思路㊂Sun 等[37]制备了一种导电多孔氮化钒纳米带(VN)/石墨烯复合材料,并用于制备锂硫电池正极材料㊂独立的三维石墨烯结构有利于电子和锂离子的传输,通过电化学测试和理论计算证明VN不仅表现出对多硫化锂的强化学锚定,而且加速了氧化还原反应动力学㊂这可归因于极性VN与Li2S6反应形成的V-S和N-Li键对多硫化锂极强的化学吸附作用㊂另外,VN还含有少量的V-N-O和V-O键,对多硫化锂具有较强的亲和作用㊂S@VN/G电极在0.2C倍率下,首次放电比容量为1471mAh㊃g-1,循环100次后放电比容量仍有1252mAh㊃g-1,此种设计为过渡金属氮化物的电化学储能开辟了一个新的方向㊂3㊀硫/杂原子掺杂碳复合材料杂原子,如氮㊁硼㊁磷㊁氧[38-41]等,由于它们与多硫化锂有强烈的亲和作用,可以用于吸附多硫化锂;同时,杂原子的加入可以增加碳材料的导电性㊂因此,碳材料的杂原子掺杂是一种很有前景的改善锂硫电池性能的方法㊂Chen等[42]通过有机缩合反应,制备了由共价有机骨架(COF)衍生的多孔碳纳米管网络,并将硼和氧杂原子均匀地掺杂在整个多孔碳纳米管中,得到了硼㊁氧共掺杂多孔碳纳米管(BOC@CNT)㊂这种硼㊁氧共掺杂碳纳米管促进了锂离子的快速扩散,并提供了大量活性位点,提高材料导电性的同时又具有对多硫化锂的㊀第4期查㊀成等:锂硫电池正极材料的研究进展1357化学吸附作用㊂该复合材料中硫的质量含量为68.5%㊂BOC@CNT/S电极在0.2C倍率下循环200次后放电比容量仍能达到1077mAh㊃g-1,在1C倍率下循环500次后,放电比容量仍然高达794mAh㊃g-1㊂Kim 等[43]通过水热合成法和热处理工艺将分散良好的氧化铈纳米晶体锚定在石墨烯上,再经过热处理工艺将磷掺杂在石墨烯中,从而合成了氧化铈纳米晶/磷掺杂石墨烯纳米复合材料(CeO2/PG)用作载硫材料㊂磷的掺杂可以为多硫化锂的俘获提供足够数量的活性位点,同时增强了石墨烯纳米片的整体导电性㊂S@CeO2/PG 复合材料中硫转化过程如图6所示㊂此外,石墨烯片上分散良好的氧化铈纳米晶体可以有效抑制石墨烯片的重叠,为硫的掺入提供足够的空间,因而复合材料中硫的质量含量高达72.3%㊂S@CeO2/PG电极在0.1C 倍率下首次放电比容量为1287mAh㊃g-1,在1C倍率下循环100次后的放电比容量仍有577mAh㊃g-1㊂Zhou等[44]采用自牺牲模板法制备了氮掺杂多孔碳/MXene基(N-PC/Ti3C2)纳米片三维复合材料,其中二甲基咪唑钴(ZIF-67)作为自牺牲模板使复合材料具有三维结构,便于电解液渗透㊂合成出的吡啶氮对多硫化锂具有强的吸附作用,吡啶氮上吸附的多硫化锂被MXene表面的羟基进一步氧化,形成了硫代硫酸盐和连多硫酸盐㊂同时N原子又提供了额外的自由电子,进一步提高了碳材料的导电性㊂该复合材料中硫的质量含量高达80%,S@N-PC/Ti3C2电极在0.1C倍率下首次放电比容量为1107mAh㊃g-1,在800次循环后每圈的电池容量衰减率仅为0.04%㊂Zhou等[45]制备了氮和硫共掺杂的3D石墨烯海绵并负载硫化锂作为无粘结剂的电极㊂材料中相互关联的3D石墨烯网络可以加快电子和离子转移,同时氮原子和硫原子对多硫化锂具有较强的化学亲和力,能更好地吸附多硫化锂,从而改善锂硫电池的电化学性能㊂此材料制成的电极在0.2C倍率下首次放电比容量为1200mAh㊃g-1,2C倍率下首次放电比容量为430mAh㊃g-1,展现了良好的倍率性能㊂Fan等[46]使用葡萄糖和三聚氰胺为前驱体,通过原位固态热有机-无机聚合和碳化方法制备氮掺杂碳纳米片(N-CNS),合成出的吡啶氮可以吸附多硫化锂,从而减少多硫化锂在电解液中的溶解㊂该电极在0.2C倍率下首次放电比容量为1313mAh㊃g-1,经过200次循环后的放电比容量仍有722mAh㊃g-1㊂图6㊀S@CeO2/PG复合材料硫转化过程示意图[43]Fig.6㊀Schematic diagram of sulfur conversion process in S@CeO2/PG composite material[43]4㊀负载催化剂的硫/碳复合材料锂硫电池正极在放电过程中发生多步反应,单质硫被转换成不同链长的Li2S n(1ɤnɤ8),其中长链的Li2S n(4ɤnɤ8)易溶于电解液中㊂Yang等[47]通过试验发现Li2S n可以和某些含有金属元素的正极材料反应并在这些材料的表面形成化学官能团,从而促进长链的Li2S n快速转换成溶解性较差的Li2S2或Li2S,起到化学催化的作用㊂Yuan等[48]在硫/碳正极材料中掺入了具有高催化作用的CoS2,在电池工作过程中,Li2S n 和CoS2之间产生了强的相互作用㊂CoS2和电解质之间的界面作为极性多硫化物的强吸附和活化位点,加速了多硫化物的氧化还原反应,如图7所示㊂此复合材料制成的电极在0.5C倍率下首次放电比容量为1368mAh㊃g-1,在2C倍率下循环每圈的电池容量衰减率仅为0.034%㊂在锂硫电池中添加金属单原子(SA)催化剂也成为了近年来的研究热点之一,金属单原子催化剂具有活性位点多㊁表面能高和存在不饱和的配位环境等优势,可以较好地实现多硫化物之间化学转化效率的最大化㊂Li等[49]通过盐模板法制备了均匀分散在氮掺杂碳纳米球上的钴单原子催化剂(CoSA-N-C)㊂该材料具有大比表面积和高孔隙率的二维框1358㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷架结构,如图8所示,Co-N 官能团对多硫化锂有较强的化学吸附作用,并且可以增大电子和离子的转移速率㊂同时,高度密集的Co-N 4配位官能团作为电催化位点可以加速多硫化锂和Li 2S 之间的相互转化㊂与传统的Li 2S 钝化层完全覆盖导电主体不同,CoSA-N-C@S 复合材料可以在电池放电过程中控制Li 2S 纳米颗粒的空间沉积,该复合材料硫的质量含量高达74.2%㊂CoSA-N-C@S 电极在0.05C 倍率下首次放电比容量高达1574mAh㊃g -1,在1C 倍率下循环1000次,每圈的电池容量衰减率仅为0.035%㊂Du 等[50]制备了均匀分散在氮掺杂石墨烯上的单原子钴基催化剂(Co-N /G),通过试验和第一性原理计算证实Co-N 4活性位点具有高度的催化活性,可以加速多硫化物的氧化还原反应;同时,氮原子与多硫化锂具有亲和作用,可以有效地抑制多硫化物的迁移㊂Co-N /G 正极材料的硫质量含量高达90%,在0.2C 倍率下首次放电比容量为1210mAh㊃g -1,在1C 倍率下首次放电比容量为866mAh㊃g -1,循环500次后放电比容量为681mAh㊃g -1㊂图7㊀CoS 2催化Li 2S n 转化示意图[48]Fig.7㊀Schematic diagram of CoS 2catalyzing Li 2S nconversion process[48]图8㊀基于DFT 计算的Li 2S 6在CoSA-N-C 的原子构象和结合能[49]Fig.8㊀Atomic conformations and binding energy for Li 2S 6species adsorption on CoSA-N-C based on DFT calculations [49]5㊀结语与展望本文基于锂硫电池硫正极的缺点,从正极载体材料对活性硫元素的物理限域㊁化学键合(锚定)和催化(电催化)转化等作用上,综述了近些年来锂硫电池正极材料的研究进展㊂研究表明,以下三种载体材料均可以较好改善锂硫电池正极材料的电化学性能:(1)物理限域的正极材料,主要是碳基载体的正极材料(硫/碳复合材料),包括自支撑硫/碳复合材料和多孔碳载硫结构等㊂碳基载体材料虽然导电性好,但其对活性硫元素的物理限域有限,因而导致电池在长期循环中容量衰减较快㊂(2)化学键合的正极材料,主要是金属化合物基或掺杂碳基载体的正极材料,包括有硫@碳/金属氧(硫㊁氮)化物㊁硫/杂原子掺杂碳复合材料等㊂多数具有化学键合作用的载体(如绝大部分金属化合物)虽然对多硫化物的锚定作用较大,但其较差的导电性不利于离子和电子的快速迁移,从而影响电池的电化学性能㊂(3)具有催化(电催化)作用的正极材料,主要为负载催化剂的硫/碳复合材料㊂具有电催化作用的载体材料,虽然其可以促进活性硫元素的氧化还原反应,进而提高硫的利用率和电池倍率性能,但是催化作用发生的前提条件是对硫元素的有效吸附和催化剂在导电载体上的均匀分散㊂目前,尚未发现单一的载体材料能够解决锂硫电池正极存在的所有问题㊂因此,集成不同载体材料的优点于一体,设计和制备其复合材料,将会进一步改善锂硫电池的电化学性能㊂对于高性能锂硫电池正极的研发可以考虑从以下三个方面进行探究:(1)在改善电池性能基础上降低正极载体材料含量,从而发挥电池高能量密度的优势㊂(2)硫载体材料和多硫化物之间的相互作用机理尚需深入研究,有助于设计更为有效的载体材料,降低硫电极中载体材料含量㊂(3)载体材料的催化机理尚需深入研究,在理论和试验分析上需进一步深入探索㊂。
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锂硫电池正极的研究
报告内容
研究背景
高比能量电池的需求 锂硫电池基本原理 锂硫电池的优点及存在的问题
锂硫电池正极的研究进展
硫/碳材料复合电极 硫/导电聚合物复合电极
新结构体系中的正极材料
锂硫电池及其正极的展望
高能电池的需求
CO2排放 零排放
EV
2.2Li2S / C 2.2S C 4.4Li 4.4e
4.4Li Sn / C 4.4e Li4.4Sn C
Hassoun et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2371 –2374
附表 Capacity of Li-ion battery
锂硫电池复合正极材料
硫碳复合材料
硫-碳纳米管复合正极材料 硫-介孔碳复合正极材料
高孔率碳材料 分级介孔碳材料
硫-导电聚合物复合正极材料
S/导电聚合物材料 含S-C化学键的导电材料
新结构体系的正极材料
S/MWCNT复合正极材料
MWCNT采用浓HNO3处理 S
Nano S 增加表面官能团，提高硫与 MWCNT的接触 采用溶剂交换法制备纳米硫 和MWCNT担载纳米硫 纳米硫的粒径50-100 nm MWCNT S/MWCNT S/MWCNT中硫的粒径40
-
Li+ S Li2Sx
Charge
i
ii
Discharge
iii
Li anode
S cathode
Anode:
Disch / Ch 16Li 16Li 16e
Step i: Step ii:
S8 4Li 4e 2Li2S4
4Li2S2 8Li 8e 8Li2S
Ultilization of S: 1st cycle: 50% (710 mAh/g) 50th cycle :16% (230 mAh/g) S loss was seen clearly
1st cycle
50th cycle
J. Electrochem. Soc., 151 (12) A2067-A2073 (2004)
高孔率碳-硫复合正极材料
第二循环后， 出现了较稳定的
不可逆容量
2.25V
充放电循环 第一循环与后 面的循环不一样
1.72V 1.6V HPC+57 wt %S
不同循环的充放电容量
增大放电电流 1031mAh g-1 1155mAh g-1 对容量影响不 大，复合材料 正极具有较好 的大电流放电 性能
硫元素被包覆在高孔率碳的微孔内，大比表面
积提供了足够的吸附位，限制了多硫离子的溶解 和流失，循环性能优异
分级介孔碳-硫复合正极材料
软模板法制备介孔碳
中孔孔径：7.3 nm 微孔孔径：< 2 nm 通过KOH活化， 在中孔骨架结构
KOH活化得到分级介孔碳 +S S/C复合材料
保持完整的情况 下引入微孔，得 到一种双峰孔分
布的分级孔结构
大量的微孔使S可以很好的吸附在碳载体上，提高其循环性能，优良的介孔骨架 结构为离子和电子传导提供很好的通道，有利于提高倍率放电性能和功率密度 Chengdu Liang et al, Chem. Mater. 21 (2009) 4724-4730
分级介孔碳-硫复合正极材料
S-C01到S-C07，硫的担量分别为11.7, 18.7,
原位聚合得到的S-PTh复合材料具有较优异的初始放电性能和循环性能，明显由于S与炭黑的直
接复合。这主要归因于聚噻吩的包覆作用增大了S与导电剂的接触，同时降低了多硫离子的溶解
含S-C化学键的导电复合材料
以PAN和S在不同温度下热处理得到含硫碳化 合键的正极活性材料，不同的热处理温度影响 着含硫基团的稳定性和材料的充放电性能
24.8, 30.7, 37.1, 45.8, 51.5 wt %
WVA-1500为活化的高比表面积微孔碳
硫担量为11.7 wt. %时，放电电流可以高达
2.5 A g-1，非常有利于提高电池的功率密度
硫担量为18.7时，复合材料的结构和元素分布图 硫担量小于37.1 wt. %时，绝大部分的S吸附 在微孔中，介孔的孔容变化不大
520 mAh/g
470 mAh/g
S以C-S-S-C化学键嵌入到合成的导电材料中，防 止了其溶解流失，杜绝了多硫离子的穿梭问题
循环性能
形貌
充放电 曲线
S/CuS正极材料
以80Li2S· 2S5玻璃陶瓷作为固 20P
体电解质，以S/CuS作为正极，Li-In 合金作为负极组装全固体锂硫电池
正极以S/Cu比为3的混合物通过机
硫-聚噻吩复合正极材料
炭黑-硫直接复合材料初始放电容量为1019 mAh g-1,
50次循环后放电容量为395.6 mAh g-1.
820 mAh g-1 1168 mAh g-1
1019 mAh g-1
S+CB 395.6 mAh g-1 S-PTh复合材料的初始放电容量为1168 mAh g-1, 50次循环后放电容量仍为820 mAh g-1。
高度有序化介孔碳-硫复合材料
硫均匀分散在有孔碳棒的有序间
纳米纤维
隙之间，改善了硫与碳的接触 S/C比可以高达7:3
S/CMK-3 示意图
机械混合 后热处理
Silaceous SBA-15（硬模板） 组装
S/CMK-3
CMK-3介孔碳
155℃ +S
S/CMK-3
Xiulei Ji etal. Nature Materials 8 (2009) 500-506
分级介孔碳-硫复合正极材料
KOH处理后，比较面积由368.5 m2 g-1（孔容0.56 cm3 g-1）提高到1566.1 m2 g-1
（孔容0.503 cm3 g-1 ），其中微孔表面积为962.4 m2 g-1 ，孔结构中出现了2-4 nm的中孔，原来的较大的中孔（7.3nm）略有增大
硫担量小于37.1 wt. %时，绝大部分的S吸附在微孔中，介孔的孔容变化不大
CMK-3/S
高度有序化介孔碳硫复合材料
CMK3+S 1st
CMK3+S 15th
PEG-CMK3+S 1st PEG-CMK3+S 15th
PEG聚合物改性后，正极材料形貌在 循环后未见明显变化，形貌保持比较 好，限制了S的溶解流失
硫-聚吡咯复合正极材料
S-PPy cathode 初始：1222 mAh/g； 20循环后：570 mAh/g Pure S cathode 初始：1010 mAh/g； 20循环后：429 mAh/g
nm左右
对MWCNT进行表面处理改善S 与MWCNT的接触，进而提高 各种材料的SEM图 复合材料中活性物质的利用率 和提高导电性。
Chen et al, Electrochimica Acta 55 (2010) 8062–8066
S/MWCNT复合正极材料
Nano S + AC
1150mAh g-1 1270mAh g-1 900 mAh g-1
无明显变化
HPC
24.4 m2/g
TEM of HPC
1473.2 m2/g
HPC+75 wt% S
多孔碳出现碎片
Lai et al, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4712–4716
高孔率碳-硫复合正极材料
复合材料具有很好的循环性能，静置3天后容 量反而略有上升，自放电比较小。
污染物排 放
续航能力有限
现有的锂离子电池受正极材料的限制，电池的 能量密度很难有大的突破，而锂硫电池以S为 正极，理论能量密度可达2600 Wh/kg。 另外，电子产品的飞速发展，对高能电池的需求也 日益增长，开发高比能量电池具有很好的应用前景 电池 容量
进一步 提高
能量 密度
锂硫电池的基本原理
e e +
高度有序化介孔碳-硫复合材料
CMK-3/S PEG-CMK3/S
电流效率高达99%
PEG的改性改善了S与碳的接触，提高了离子的传 导能力，同时聚合物更好的限制了S的流失
碳的骨架结构提供良 好的电子传输通道， 骨架间的空隙提高了 良好的离子传输通道 介孔结构很好地阻止 了S的溶解流失
PEG-CMK3/S
械球磨得到S/CuS复合正极
20 cycles后，不可逆循环容量消失 1st cycle，出现了不可逆容量 S和CuS均为正极的活性物质 Hayashi et al，Electrochemistry Communications 5 (2003) 701–705
锂硫电池及其正极的前景展望
挑 战
正极活性物质在充放电和多次循环中的形貌变化 如何通过其他途径提高电池的循环寿命和安全性
前 景 展 望
复 设计更有利于离子和电子传导的高吸附C/S复合材料 合改 材进 料 开发具有化学键的低过电位S复合材料
新 型 结 构 体 系 S
全液态电池（以离子交换膜作为隔膜）
离子的放电状态电池）
锂硫电池挑战和前景
以Sn/C负极替代锂金属负极，消除了金属锂的
枝晶问题，提高了电池的安全性
采用凝胶电解质，有利于控制Sx2-的溶解，降
低Sx2-的穿梭
25℃时，以Li2S/C计算的容量为600 mAh g-1,
以Li2S计算，容量高达1200mAhg-1.
2.2Li2S / C 2.2S C 4.4Li 4.4e
Sn/C作为负极，Li2S/C作为正极，采用凝胶电解质 正极反应 负极反应