鋰硫電池正極的研究進(jìn)展課件

鋰硫電池正極的研究SeminarII報(bào)告內(nèi)容

研究背景高比能量電池的需求鋰硫電池基本原理鋰硫電池的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題

鋰硫電池正極的研究進(jìn)展硫/碳材料復(fù)合電極硫/導(dǎo)電聚合物復(fù)合電極新結(jié)構(gòu)體系中的正極材料

鋰硫電池及其正極的展望CO2排放污染物排放EV零排放續(xù)航能力有限高能電池的需求電池容量能量密度進(jìn)一步提高現(xiàn)有的鋰離子電池受正極材料的限制，電池的能量密度很難有大的突破，而鋰硫電池以S為正極，理論能量密度可達(dá)2600Wh/kg。另外，電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，對(duì)高能電池的需求也日益增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)高比能量電池具有很好的應(yīng)用前景鋰硫電池的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)鋰硫電池元素硫的導(dǎo)電性差環(huán)境友好電解液的穩(wěn)定性正極采用硫成本低高比能量鋰負(fù)極的枝晶問(wèn)題Sx2-的穿梭循環(huán)容量衰減自放電嚴(yán)重活性物質(zhì)利用率低2600Whkg-1Li-S電池容量衰減CathodecompositionS：C：binder=84:12:4theorycapacity：1404Dischargeandcharge:0.1C(0.4mA/cm2)Cutoffvoltage:1.7V,2.5V1stcycle50thcycleUltilizationofS:1stcycle:50%(710mAh/g)50thcycle:16%(230mAh/g)SlosswasseenclearlyJ.Electrochem.Soc.,151(12)A2067-A2073(2004)鋰硫電池復(fù)合正極材料硫碳復(fù)合材料硫-碳納米管復(fù)合正極材料硫-介孔碳復(fù)合正極材料高孔率碳材料分級(jí)介孔碳材料硫-導(dǎo)電聚合物復(fù)合正極材料S/導(dǎo)電聚合物材料含S-C化學(xué)鍵的導(dǎo)電材料新結(jié)構(gòu)體系的正極材料S/MWCNT復(fù)合正極材料NanoS+ACS/MWCNT1270mAhg-11150mAhg-1900mAhg-11380mAhg-11330mAhg-11210mAhg-1電池首循環(huán)放電曲線a100mAg-1,b200mAg-1,c300mAg-1

S/MWCNTNanoS+AC電池循環(huán)性能曲線a100mAg-1,b200mAg-1,c300mAg-1

MWCNT擔(dān)載硫復(fù)合材料為正極的電池初始性能和循環(huán)性能均優(yōu)于納米S和活性碳混合，而且顯示更優(yōu)的大電流放電性能。這是由于碳納米管具有更好的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，HNO3處理后的碳納米管為硫提供更多吸附位，降低了多硫離子的溶解。高孔率碳-硫復(fù)合正極材料HPCHPC+57wt%SHPC+75wt%STEMofHPC1473.2m2/g24.4m2/g無(wú)明顯變化多孔碳出現(xiàn)碎片TEMofHPCPAN與碳酸鈉750℃高溫下得到高孔率碳HPCLaietal,J.Phys.Chem.C2009,113,4712–4716高孔率碳-硫復(fù)合正極材料復(fù)合材料具有很好的循環(huán)性能，靜置3天后容量反而略有上升，自放電比較小。硫元素被包覆在高孔率碳的微孔內(nèi)，大比表面積提供了足夠的吸附位，限制了多硫離子的溶解和流失，循環(huán)性能優(yōu)異分級(jí)介孔碳-硫復(fù)合正極材料

S-C01到S-C07，硫的擔(dān)量分別為11.7,18.7,24.8,30.7,37.1,45.8,51.5wt%WVA-1500為活化的高比表面積微孔碳硫擔(dān)量為11.7wt.%時(shí)，放電電流可以高達(dá)2.5Ag-1，非常有利于提高電池的功率密度硫擔(dān)量為18.7時(shí)，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和元素分布圖硫擔(dān)量小于37.1wt.%時(shí)，絕大部分的S吸附在微孔中，介孔的孔容變化不大硫-聚噻吩復(fù)合正極材料以噻吩為單體，氯仿為溶劑，氯化鐵為氧化劑，通過(guò)氧化聚合的方法得到聚噻吩，同時(shí)在聚合過(guò)程中加入硫，通過(guò)原位聚合得到硫-聚噻吩復(fù)合材料。S8的皇冠型結(jié)構(gòu)S-PThS-PTh表面出現(xiàn)了孔結(jié)構(gòu)，PTh較好地包覆在S表面PTh對(duì)S的包覆增加了PTh與S的接觸，提高了材料的導(dǎo)電性，同時(shí)由于吸附作用，阻止了S在電解液中的溶解硫-聚噻吩復(fù)合正極材料820mAhg-11168mAhg-1S-PTh復(fù)合材料的初始放電容量為1168mAhg-1,50次循環(huán)后放電容量仍為820mAhg-1。1019mAhg-1395.6mAhg-1S+CB炭黑-硫直接復(fù)合材料初始放電容量為1019mAhg-1,50次循環(huán)后放電容量為395.6mAhg-1.原位聚合得到的S-PTh復(fù)合材料具有較優(yōu)異的初始放電性能和循環(huán)性能，明顯由于S與炭黑的直接復(fù)合。這主要?dú)w因于聚噻吩的包覆作用增大了S與導(dǎo)電劑的接觸，同時(shí)降低了多硫離子的溶解S/CuS正極材料以80Li2S·20P2S5玻璃陶瓷作為固體電解質(zhì)，以S/CuS作為正極，Li-In合金作為負(fù)極組裝全固體鋰硫電池正極以S/Cu比為3的混合物通過(guò)機(jī)械球磨得到S/CuS復(fù)合正極1stcycle，出現(xiàn)了不可逆容量20cycles后，不可逆循環(huán)容量消失S和CuS均為正極的活性物質(zhì)Hayashietal，ElectrochemistryCommunications5(2003)701–705鋰硫電池及其正極的前景展望全液態(tài)電池（以離子交換膜作為隔膜）全固態(tài)電池（以玻璃陶瓷作為固體隔膜）凝膠電解質(zhì)電池（傳導(dǎo)鋰離子的放電狀態(tài)電池）新型結(jié)構(gòu)體系開(kāi)發(fā)具有化學(xué)鍵的低過(guò)電位S復(fù)合材料設(shè)計(jì)更有利于離子和電子傳導(dǎo)的高吸附C/S復(fù)合材料改進(jìn)S復(fù)合材料前景展望挑戰(zhàn)正極活性物質(zhì)在充放電和多次循環(huán)中的形貌變化如何通過(guò)其他途徑提高電池的循環(huán)壽命和安全性鋰硫電池挑戰(zhàn)和前景Sn/C作為負(fù)極，Li2S/C作為正極，采用凝膠電解質(zhì)負(fù)極反應(yīng)正極反應(yīng)以Sn/C負(fù)極替代鋰金屬負(fù)極，消除了金屬鋰的枝晶問(wèn)題，提高了電池的安全性采用凝膠電解質(zhì)，有利于控制Sx2-的溶解，降低Sx2-的穿梭

25℃時(shí)，以Li2S/C計(jì)算的容量為600mAhg-1,以Li2S計(jì)算，容量高達(dá)1200mAhg-1.Hassounetal,Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,2371–2374高孔率碳-硫復(fù)合正極材料1.72V1.6V2.25V1155mAhg-11031mAhg-1917mAhg-1HPC+57wt%S不同電流下首循環(huán)的放電容量HPC+75wt%S不可逆容量不同循環(huán)的充放電容量第二循環(huán)后，出現(xiàn)了較穩(wěn)定的充放電循環(huán)第一循環(huán)與后面的循環(huán)不一樣增大放電電流對(duì)容量影響不大，復(fù)合材料正極具有較好的大電流放電性能硫-聚噻吩復(fù)合正極材料ThPThS-PThS-PTh與PTh的紅外相似，說(shuō)明S與PTh之間沒(méi)有化學(xué)鍵合作用S含量為57wt%時(shí)，S/HPC未出現(xiàn)明顯的S的衍射峰，而S含量為75wt%時(shí)，出現(xiàn)了明顯的S的衍射峰高孔率碳-硫復(fù)合正極材料分級(jí)介孔碳-硫復(fù)合正極材料KOH處理后，比較面積由368.5m2g-1（孔容0.56cm3g-1）提高到1566.1m2g-1

（孔容0.503cm3g-1

），其中微孔表面積為962.4m2g-1

，孔結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了2-4nm的中孔，原來(lái)的較大的中孔（7.3nm）略有增大硫擔(dān)量小于37.1wt.%時(shí)，絕大部分的S吸附在微孔中，介孔的孔容變化不大高度有序化介孔碳-硫復(fù)合材料CMK-3/SPEG-CMK3/SPEG-CMK3/SCMK-3/S碳的骨架結(jié)構(gòu)提供良好的電子傳輸通道，骨架間的空隙提高了良好的離子傳輸通道介孔結(jié)構(gòu)很好地阻止了S的溶解流失電流效率高達(dá)99%PEG的改性改善了S與碳的接觸，提高了離子的傳導(dǎo)能力，同時(shí)聚合物更好的限制了S的流失CMK3+S1stCMK3+S15thPEG-CMK3+S1stPEG-CMK3+S