基于碳硫复合材料在锂硫电池正极中的研究-开题报告终极版

2Li2S4 4Li 4e 4Li2S2
Step iii: 4Li 2S2 8Li 8e 8Li 2S
Stepi 生成的长链多硫化物易溶电解液造成的“穿 梭效应”和 stepii 生成导电性差的终极产物是造 成容量损失的主要原因。
side reactions Li 2Sn 2Li Li2S Li 2S (n 1) Li 2Sn 2Li Li 2S 2 Li 2S (n 1)
国国内内外外的的 研研究究情情况况
介孔碳材料
Nazer, et al.Nature Materials，2009，8( 6) : 500-506．
Cuiwen Li, et al．ACS Applied Materials ＆ Interfaces，2013，5( 6) : 22082213．
介孔储硫的主要优势在于其可以明显提高硫的负载量及拥有发达的离子通 道，对发挥锂硫电池高能量密度的优势。
Donghui Long et al,ACS Applied M aterials ＆ Interfaces，2013，5( 12) : 5630-5638．
验证了含氮官能团的引 入能够有化学效束缚多 硫化物的迁移
Donghai Wang，et al，Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 1243–1250
国内外的 研究情况
微孔碳材料
优势：在充放 电过程中能够 保持极高的库 伦效率以及长 周期的循环稳 定性。
缺点：载硫量 低硫含量较低 ( 40% ) ，电子 离子传输通道 受限
guo,et al. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18510−18513
孔径：2-0.5nm
W. Zhang et al. Electrochimica Acta 87 (2013) 497– 502
国内外的 研究情况
多孔碳材料
Liang et al,Chem. Mater., Vol. 21, No. 19, 2009 O.5C
多孔材料：
优点：微孔、介孔、
大孔相互贯通，微孔提 供电化学反应界面,维持 容量、介孔提供扩散通 道、有利于提高初始容 量，大孔提供活性反应 物储存空间，则有望实 现硫在多孔碳上的进一 步高效利用。
参考文献： J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12946−12953 Nano Lett. 2015, 15, 798−802 Nano Lett. 2014, 14, 4821−4827 Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 287–297 Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3591 –3595 ……
国内外研究情况
➢ 由于电池正极体积膨胀、单质硫及其不溶性产物 Li2S2 和 Li2S导电性低、多硫 化物穿梭严重导致缩短电池寿命，成为目前重点解决的问题。
➢ 目前研究通过将活性物质硫与多孔碳、纳米碳纤维（CNF）、多壁碳纳米管 （MWCNTs）、石墨烯、导电聚合物、金属氧化物等具有特定结构的基质材 料制备硫基复合正极材料，可以显著改善锂硫电池的循环性能和倍率性能。
➢ 单质硫在常温下主要以 S8的形式存在，在地球中储量丰富，具有价格低 廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比 容量和电池理论比能量较高，分别达到 1672m Ah·g-1和 2600Wh·kg-1 ，目 前锂硫电池的实际能量密度已达到 390Wh·kg-1，预计在今后几年内极有 可能提高到 600Wh·kg-1，被认为是现在最具研究价值和应用前景的锂二 次电池体系之一。
Donghai Wang et al ,Angew. Chem. 2015, 127, 1 – 6
国内外的 研究情况
多孔碳杂化材料
多孔炭具有丰富的孔道 结构和大的比表面积。 让其与不同种类基体材 料的高效杂化，充分发 挥多孔碳质材料在锂硫 电池的优势。
Qiang Zhang et al , Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2772–2781
研究背景
锂硫电池正极反应的基本原理
e
-
e +
Li+ S Li2Sx
Li anode
S cathode
Anode:: 16Li Disch/Ch16Li 16e
Cathode: S8 16 Li 16e Disch/Ch8Li2S
Step i: S8 4Li 4e 2Li2S 4
Step ii::
多孔碳材料 金属氧化物 导电聚合物
石墨烯
材料优缺点 优点
导电性良好，便宜，载硫 量高 通过化学键抑制多硫化物 导电聚合物的骨架结构可 为硫正极提供很好的导电 网络 导电性好，载硫量高，丰 富功能基团抑制多硫化物
缺点 物理吸附，非极性不能很好 抑制极性多硫化物
导电性差 吸附多硫离子作用极其有限
石墨烯不能大量生产
研究意义
➢ 锂离子电池是目前商业化二次电池中性能最好的电池体系，但由于其主 要使用 Li Fe O4、Li Co O2和 Li Ni1/3Co1/3Mn1/3O2等作为正极材料，这些正 极材料的理论容量一般不超过 300m Ah·g-1，难以满足目前对于高比能量 电池的需求，因此高理论比容量的锂硫电池正极材料成为当今研究的重 点。
其他体系，石墨烯-介孔 碳复合材料、石墨烯-多 孔炭、碳纳米管-微孔炭、 石 墨 烯-纳 米 纤 维、 金属氧化物-多 孔 碳纤
基于碳硫复合材料在锂硫电池正极中的研究-开题报 告终极版
研研究究景背背 景
锂硫电池的优势和挑战
2600 Wh kg-1
高比能量
硫的导电性差
01 成本低
LOREM IPSUM 锂L硫O电R池EM IPSUM电极结构变化
正极采用硫
SFra Baidu bibliotek2-的穿梭
环境友好
电解液的稳定性
锂负极的枝晶问题 锂负极副反应问题
缺点：紧靠物理抑制
多硫化物溶解穿梭有限。
Xiaogang Zhang et al，ACS Applied Materials S: 84 wt %
＆Interfaces，2014，6( 1) : 194-199．
58.8 wt %
国内外的 研究情况
氮掺杂碳硫复合材料
前驱体：三聚氰胺、酚醛树脂, 致孔剂：si02