应用电化学：锂硫电池.pptVIP

金属氧化物正极材料 为了提高锂硫电池的电化学性能，许多惰性的无机氧化物被用来包覆在硫基正极材料表面。这些无机氧化物层可以降低电极与电解液的反应活性，并能阻止活性物质在电解液中的溶解与扩散，减缓和抑制穿梭效应，从而提高活性物质利用率和改善电池的循环性能。 2013 年，Cui Yi 课题组报道了一种 S-TiO2中空核壳纳米复合材料电极，电化学测试结果表明这种复合材料电极具有非常优异的性能。在 0.5 C 倍率下，该电极首次充放电比容量可达 1,030 mAh·g-1，1000 次循环后仍能保持在 690 mAh·g-1，表现出极低的衰减速率, 每个循环容量值只下降 0.033%。 硫/纳米金属氧化物 International Journal of Hydrogen Energy 34(2009) 1556-1559 正极：S/V2O5活性材料：Super P： Mg0.8Cu0.2O：PVDF=50:30:10:10(wt%) 电解液：1 mol L1 LiPF6/ EC:DMC:EMC (1:1:1, by volume) 性能：首次放电容量 545mAh/g,30圈后422mAh/g(77.5%) 硫碳复合材料——优势 三维多孔碳硫复合正极材料 在多孔碳碳硫复合材料中，单质硫被负载到多孔碳的孔隙结构中，一方面，碳材料的高导电性可以提高硫的电化学活性，增强电极导电性；另一方面借助碳材料的多孔结构和强大的比表面积能吸附多硫化物，抑制多硫化物的溶解扩散；此外，碳材料的孔结构还能有效缓解硫电极充放电时的体积变化。目前所报道的三维多孔碳硫复合材料包括活性碳、无序和有序介孔碳、中微孔碳球、乙炔黑、膨胀石墨等： 多孔碳硫复合材料提供了一种改善硫正极性能的有效手段，特别是各种不同设计的纳米孔隙结构对复合材料的电化学性能影响很大，为了实现性能的改善，必须做到：1.优化碳材料的孔径尺寸和封闭孔道以捕捉多硫化物和减少硫颗粒粉化；2.增大碳材料的孔容以提高载硫量；3.保证尽可能多的硫能进入碳材料的孔隙中 多孔碳/硫复合材料总结 多孔碳材料总结：虽然具有高的放电特性容量，但高倍率充放电下多硫化物还是会进入电解液，而且合成方法较为复杂，未来的发展是构筑相互交织、稳定的 e/S8/Li+三相网络，使锂离子与反应电子能够顺畅地在与硫接触反应，则可能实现硫的高效电化学利用 硫/有序纳米碳阵列结构 NATURE MATERIALS VOL 8 JUNE 2009 Chem.Mater.,?2009,?21?(19), pp 4724–4730 二维石墨烯硫复合正极材料 石墨烯(graphene)是由碳原子构成的原子厚度的二维薄层，其中碳原子具有六角形蜂巢晶格结构，具有优异的导电性。氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，它们都具有高的比表面积，良好的化学稳定、机械强度和柔初性，因此在电化学储能装置中可以用于生长固定活性物质，石墨烯能改善绝缘物质的导电性，大大提高复合材料的比容量和倍率性能。石墨稀还能被涂在硫表面形成三明治式的复合材料来固定硫颗粒。而且，石墨稀表面还可以用不同官能团进行功能化处理，如-OH、-COOH等，这些官能团能与多硫化物作用从而有效固定多硫化物. 硫碳复合材料——石墨烯 性能：高倍率性能优异，1.6A/g(0.95C)条件下，200圈后放电容量670mAh/g Chem. Commun., 2012, 48, 4106–4108 RGO-TG-S增强性能示意图 TG: a thermally exfoliated graphene nanosheet RGO: reduced graphene oxides —维碳纳米管（纤维）硫复合正极材料 一维结构的纳米碳材料通常具有良好的导电性，能够交织形成良好的导电网络，保证电极结构的稳定性，为活性物质提供良好的导电接触。目前用于制备碳硫复合材料的一维碳材料包括：碳纤维、碳纳米管以及它们的各种复合材料。 采用一维的碳纳米纤维可以作为导电基体为绝缘的硫提供导电网络并增强电极稳定性。利用碳纤维的大比表面积及吸附性，将硫在高温下蒸发，吸附在纤维表面形成均勾的载硫碳纤维布，该材料合成不需要使用粘结剂，电化学性能优良。 研究较多的另外一种一维纳米碳硫复合材料是碳纳米管（CNT）-硫复合材料。大量文献都报道了采用碳纳米管可以有效改善活性物质利用率和降低容量衰减，很多复合都是将硫包覆在碳纳米管表面形成核壳结构，所获得的电化学性能也有区别。 硫碳复合材料——碳纳米管 正极：硫掺杂多壁碳纳米管(S-coated-MWCNTs) 性能：60次循环后仍具有670mAh/g的容量 Journal of Power Sources 189 (2009) 1141–1146 S-coated-M