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锂硫电池正极材料的改性方法研究

锂硫电池正极材料的改性方法研究张子昂【摘要】电子工业与电动汽车等行业的飞速发展引发了人们对高能电源的迫切需求.锂硫电池作为最有发展潜力的新型高能化学电源之一,其高理论能量密度使其能够实现对传统锂离子电池五倍的能量密度,因此受到人们广泛的关注.然而,构成锂硫电池正极材料的硫具有离子和电子导电性差的缺点,且反应过程中生成的多硫化物易溶于有机溶剂使得电池容量衰减较快.这些固有缺陷很大程度上限制了锂硫电池的发展与工业化应用.结合既有的文献报道,本文总结了近几年来锂硫电池正极材料改性的研究进展,分别从硫-碳、硫-导电聚合物、硫-金属氧化物复合材料三个方面对硫正极材料改性方法进行介绍.最后,对锂硫电池正极材料未来的研究方向与应用前景进行了展望.【期刊名称】《化工中间体》【年(卷),期】2018(000)012【总页数】3页(P164-166)【关键词】锂硫电池;正极材料;复合材料;改性【作者】张子昂【作者单位】对外经济贸易大学附属中学北京 100102【正文语种】中文【中图分类】T随着能源问题的日益突出，基于嵌锂化合物正极的锂离子电池在近二十年来得到了飞速的发展，在便携式电子设备等领域得到了广泛的应用。

但现有的锂离子电池容量已接近其理论值，无法满足高速发展的电子工业与电动汽车等行业的要求，因此急需发展新型高容量锂电池。

锂硫电池作为新型电池之一，其高理论比容量和高理论比能量能够实现对传统锂离子电池五倍的能量密度。

但是，作为锂硫材料正极材料的硫存在电导率低、多硫化物溶解迁移等问题，很大程度上限制了锂硫电池的实用化进程。

因此，通过合理有效的手段增强锂硫电池正极材料的导电能力与实用性能，进而调控正极材料的综合性能以满足各种不同的需求，已成为现阶段材料与能源科学研究的前沿之一。

相关研究表明，通过掺杂导电性良好的其它材料，如碳、金属与导电聚合物等，对硫正极材料进行改性，可以显著提高锂硫电池正极的导电性，同时抑制电化学反应中多硫化锂的迁移问题，从而改善硫正极材料的固有缺陷，提升电池的循环稳定性和充放电效率。

锂离子电池正极材料研究进展

资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载锂离子电池正极材料研究进展地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容锂离子电池正极材料研究进展前言由于提高负极材料对锂离子的嵌入和脱出能力是目前提高锂离子电池容量的主要途径，因此对负极材料尤其是碳材料的研究备受关注，相关的研究正如火如荼地进行着。

但是，只有正极材料和负极材料相互匹配，才能使电池容量得到真正的提高，因此对于正极材料的研究也是方兴未艾。

目前研究主要集中在锂钴氧化物，锂镍氧化物和锂锰氧化物。

此外，纳米电极材料，共混电极及其他一些新材料电极也值得关注。

锂钴氧化物作为锂离子电池正极材料的锂钴氧化物具有电压高，放电平稳，适合大电流放电，比能量高，循环性好的优点。

其二维层状结构属于α-NaFeO2型，适合锂离子嵌入和脱出。

其理论容量为274mAh／g，实际容量约为140mAh／g。

由于其具有生产工艺简单和电化学性质稳定等优势，所以率先占领市场。

其合成方法主要有高温固相合成法和低温固相合成法。

高温固相合成法以Li2CO3和CoCO3为原料，按Li/Co的摩尔比为1∶1配制，在700℃～900℃下，空气氛围中灼烧而成。

也有采用复合成型反应生成LiCoO2前体［1］，在350℃～450℃下进行预热处理，再在空气中于700℃～850℃下加热。

在合成之前的预处理工艺［2］能使晶体的生长更为完美，从而获得具有高结晶度层状结构的LiCoO2，提高了电池的循环寿命，其实际容量可达150mAh／g。

低温固相合成法是将混合好的Li2CO3和CoCO3在空气中匀速升温至400℃，保温数日，以生成单相产物。

此法合成的LiCoO2具有较为理想的层状中间体和尖晶石型中间体结构。

锂硫电池正负极界面问题研究进展与机理分析

锂硫电池正负极界面问题研究进展与机理分析锂硫电池作为一种具有高能量密度和低环境影响的新一代二次电池，具有广泛的应用前景。

然而，锂硫电池在实际应用中面临着正负极界面问题的挑战，包括锂枝晶生长、极化效应和界面不稳定等现象。

本文通过对锂硫电池正负极界面问题的研究进展和机理分析，以期提供有关解决这些问题的参考意见。

锂硫电池的正负极界面问题主要包括锂枝晶生长、活性物质的极化效应和界面不稳定等问题。

首先，锂枝晶生长是一种常见的界面问题，导致电池内部短路和安全隐患。

锂枝晶的生长与充放电过程中的极化效应有关，主要是由于锂在放电过程中析出和在充电过程中沉积导致的。

其次，电极材料与电解液之间的反应会导致界面不稳定，从而降低电池的循环稳定性和寿命。

针对锂枝晶生长问题，研究人员已经提出了一系列的策略和方法。

例如，通过改变电解液成分、添加添加剂或采用新的电解液体系可以抑制锂枝晶的生长。

此外，研究人员还通过改变电极结构和表面处理来改善电池的循环性能。

例如，使用多孔碳材料作为电极基底可以增加锂的扩散路径，从而减少锂枝晶的生长。

此外，界面工程技术也是抑制锂枝晶生长的重要手段。

例如，将具有高离子导电性和机械韧性的聚合物涂层应用于电极材料表面可以有效地阻止锂枝晶的扩展。

活性物质的极化效应是正负极界面问题的另一个重要方面。

在充放电过程中，活性物质的极化会导致电池的容量衰减和循环稳定性下降。

为了解决这一问题，研究人员已经开展了一系列的工作。

例如，优化电极设计和制备工艺可以提高活性物质的接触性能和电荷传输速率。

此外，添加导电剂和填充剂也可以改善电极材料的导电性和充放电效率。

界面不稳定是锂硫电池正负极界面问题的另一个主要方面。

电极材料与电解液之间的化学反应会导致界面的漏电和材料的损失。

为了解决这个问题，研究人员已经开展了许多工作。

例如，通过表面涂层和界面调控可以改善电极材料与电解液之间的界面稳定性。

此外，使用纳米材料和多孔材料作为电极材料也可以提高电极的界面稳定性和充放电性能。

《2024年锂硫电池正负极材料的制备及电化学性能研究》范文

《锂硫电池正负极材料的制备及电化学性能研究》篇一一、引言随着电动汽车、智能设备等新兴产业的快速发展，对高能量密度、长循环寿命的电池需求日益增长。

锂硫电池因其高能量密度和低成本的优势，被视为下一代电池的重要候选者。

锂硫电池的正负极材料对电池性能起着决定性作用，因此，对正负极材料的制备及电化学性能的研究具有重要意义。

本文将详细介绍锂硫电池正负极材料的制备方法及电化学性能研究。

二、锂硫电池正极材料制备及性能研究1. 制备方法锂硫电池正极材料主要包括硫、导电剂和粘结剂等。

目前，常用的制备方法包括熔融法、溶液法等。

熔融法是将硫与导电剂在高温下混合，制备成硫复合材料。

溶液法则是在溶液中通过化学反应将硫与导电剂结合。

2. 性能研究正极材料的电化学性能主要取决于其结构、组成和导电性等。

通过优化制备工艺，可以提高正极材料的比容量、循环稳定性和倍率性能。

研究表明，采用纳米化、多孔结构和掺杂等方法可以改善硫的利用率和电导率，从而提高正极材料的电化学性能。

三、锂硫电池负极材料制备及性能研究1. 制备方法锂硫电池负极材料主要采用碳基材料，如石墨、碳纳米管等。

制备方法包括物理混合法、化学气相沉积法等。

物理混合法是将碳基材料与粘结剂混合，制备成负极材料。

化学气相沉积法则是在基底上通过化学反应生成碳基材料。

2. 性能研究负极材料的电化学性能主要取决于其比容量、循环稳定性和倍率性能等。

通过优化碳基材料的结构和组成，可以提高其电化学性能。

研究表明，采用纳米结构、多孔结构和表面修饰等方法可以改善负极材料的电导率和锂离子扩散速率，从而提高其电化学性能。

四、电化学性能测试及分析为了评估锂硫电池正负极材料的电化学性能，需要进行一系列的电化学测试。

包括循环性能测试、倍率性能测试、交流阻抗测试等。

通过这些测试，可以了解正负极材料在充放电过程中的结构变化、锂离子的扩散速率和电子传导速率等。

五、结论与展望通过对锂硫电池正负极材料的制备及电化学性能的研究，我们可以得出以下结论：1. 优化正极材料的结构和组成，可以提高硫的利用率和电导率，从而提高正极材料的比容量和循环稳定性。

锂硫电池原理及正极的设计与构建

锂硫电池原理及正极的设计与构建锂硫电池是一种新型的高能量密度、环境友好的电池技术，其具有高比能量、高安全性和低成本等优势。

在锂硫电池中，锂金属或锂离子作为负极，硫化物作为正极活性物质，通过一系列电化学反应实现能量转化和储存。

锂硫电池的原理主要包括锂离子在正负极之间的迁移、硫和锂离子之间的反应以及形成固态锂硫化物等。

首先，锂离子从锂金属或锂离子源（如锂盐溶液）通过正极电解液中的锂盐传输到正极，并与硫化物反应生成Li2S。

这个过程可以表示为：S+2Li++2e-→Li2S锂离子和电子同时在正负极之间进行迁移，通过电解液中的离子传导和电解液中的电子导体（如碳纳米管或导电聚合物）进行。

其次，锂和硫之间的化学反应是可逆的，所以在充放电过程中，这个反应可以在正负极之间来回发生。

在充电时，正极的Li2S可以转化为较高电位的多硫化物（如Li2S8），同时释放出锂离子和电子。

这个过程可以表示为：Li2S + yLi+ + ye- ↔ Li2Sy在放电时，则是相反的过程，多硫化物转化为单硫化物或硫化物阶段。

这个过程也可以表示为：Li2Sy ↔ Li2S + yLi+ + ye-最后，锂硫电池的正极构建主要涉及到正确选择和设计合适的材料。

理想的锂硫电池正极材料应具有高电活性、良好的电导率、较高的比表面积和优异的机械稳定性。

当前常用的锂硫电池正极材料有硫/碳复合材料、硫/多孔碳材料、硫/导电聚合物复合材料等。

例如，硫/碳复合材料是最常用的锂硫电池正极材料之一、其制备方法一般涉及硫与不同种类的碳材料（如石墨、碳纳米管、硅灵笼、多壁碳纳米管等）混合，并进行球磨或高温炭化处理，使硫颗粒均匀分布在碳基体中，并增强材料的电导性。

此外，还可以将硫与具有良好导电性和机械稳定性的材料（如导电聚合物）复合，以提高正极材料的导电性，减小碳负载量，并改善锂硫电池的循环寿命。

总的来说，锂硫电池通过锂离子的迁移和硫和锂离子之间的化学反应来实现能量转化和储存。

锂硫电池的正极与负极研究进展

2）硫和硫化锂的密度分别为 2.03g/cm3 和 1.66g/cm3，在放电过程中硫会生成硫化锂，造成电池的体积膨胀，从而导致活性物质硫从导电结构上脱落，使锂硫电池的比容量受到损失。由于硫和硫化锂均为绝缘物质，因此硫化锂在正极导电框架上的生成会影响正极活性物质的溶解，从而降低锂硫电池的反应效率和比容量。
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]。

锂硫电池中柔性正极的研究进展

有的高理论能量密度等优势，在高性能电子设备等器件中具有广阔应用前景。而高性能柔性锂硫电池的开发更能满足未来的柔性电子设备对柔性电源的性能需求。在柔性电池中，具有机械柔性的电极是核心组件之一，需同时实现提供电子导电骨架、离子扩散通道及活性材料载体等功能。随着纳米碳、高分子、金属泡沫等材料的引入，锂硫电池柔性正极材料领域已取得众多研究进展。本文介绍了锂硫电池及其柔性正板的特性，评述了锂
硫电池柔性正极材料方面的研究进展，并展望了其未来研究方向和发展空间。
关键词：锂硫电池；柔性正极；集流体；能量密度
ｄｏｉ：１０．１２０２８／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－４２３９．２０１７．００１３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｍｅｒｇｉｎｇｌｅｆｘｉｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓ，ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｌｅｆｘｉｂｌｅ
ｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｓｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｇｒｅａｔａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ｌｉｔｈｉｕｍｓｕｌｆｕｒｂａｔｔｅｒｙｗｉｔｈｍｅｒｉｔｓｉｎｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｌｏｗｃｏｓｔｈｏｌｄｓｐｒｏｍｉｓｅｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｌｅｆｘｉｂｌｅｅｎｅｒｇｙｂａｔｔｅｒｙｓｙｓｔｅｍ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓａｒｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｌｆｅｘｉｂｌｅｂａｔｔｅｒｉｅｓ，ｗｈｉｃｈｓｅｒｖｅａｓｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｓｋｅｌｅｔｏｎ，ｉｏｎｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｓｋｅｌｅｔｏｎ，ａｎｄａｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌｈｏｓｔｓ．ＩｎｔｈｉｓＰａｐｅｒ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ１ｉｔｈｉｕｍ．ｓｕｌｕｒｆｂａｔｔｅｒｙａｎｄｉｔｓｌｅｆｘｉｂｌｅｃａｔｈｏｄｅａｒｅｂｉｅｒｌｆｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｌｆｅｘｉｂｌｅｃａｔｈｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｌｉｔｈｉｕｍ— ｓｕｌｕｒｆｂａｔｔｅｒｙｉｓｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｐａｃｅｏｆ

锂硫电池无机正极

锂硫电池无机正极
锂硫电池无机正极是一种新型的电池正极材料，它由锂和硫元素组成。

相比于传统的锂离子电池，锂硫电池有着更高的能量密度和更长的循环寿命。

锂硫电池无机正极的制备方法多种多样，例如化学合成法、溶胶-凝胶法、水热法等。

其中，化学合成法是最常用的方法之一，通过化学反应来合成所需的材料。

溶胶-凝胶法则是将溶胶转变为凝胶，再将凝胶转变为无机固体，最终得到锂硫电池无机正极材料。

锂硫电池无机正极的性能取决于其结构和化学组成。

研究者们已经发现了一些优化的结构，例如奈米结构、多孔结构、核壳结构等。

通过这些结构的优化，可以提高锂硫电池的电化学性能，例如提高其能量密度和循环寿命。

总的来说，锂硫电池无机正极是一种具有广阔应用前景的新型电池材料，其研究和开发将有助于推动电池技术的进一步发展。

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各种材料的SEM图
对MWCNT进行表面处理改善S 与MWCNT的接触，进而提高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 (2019) 8062 –8066
S/MWCNT复合正极材料
Nano S + AC
1150mAh g -1 1270mAh g -1
MWCNT 担载硫复合材料为正极的电池初始性能和循环性能均优于纳米 S和活性碳混合，而且显结构， HNO 3处理后的碳纳米管为硫提供更多吸附位，降低了多硫离子的溶解。
高孔率碳-硫复合正极材料
TEM of HPC
PAN与碳酸钠750℃高温下得到高孔率碳HPC
Seminar II
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
污染物排放
? Discharge and charge: 0.1C (0.4mA/cm2) Cutoff voltage: 1.7V, 2.5V
Ultilization of S: 1st cycle: 50% (710 mAh/g) 50th cycle :16% (230 mAh/g) S loss was seen clearly
无明显变化
HPC+57 wt% S
HPC
24.4 m 2/g
TEM of HPC
1473.2 m 2/g
多孔碳出现碎片
HPC+75 wt% S
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。 ? 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
? 新结构体系的正极材料
S/MWCNT复合正极材料
S
Nano S
MWCNT
S/MWCNT
? MWCNT采用浓HNO3处理增加表面官能团，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
? S/MWCNT中硫的粒径40 nm 左右
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
EV
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
能量密度
进一步提高
锂硫电池的基本原理
e
-
e +
900 mAh g -1
S/MWCNT
1330mAh g -1 1380mAh g -1
1210 mAh g -1
Nano S + AC S/MWCNT
电池首循环放电曲线 a 100 mA g -1, b 200 mA g -1, c 300 mA g -1
电池循环性能曲线 a 100 mA g -1, b 200 mA g -1, c 300 mA g -1
Li + S Li 2Sx
Charge
ii
iii
i
Discharge
Li anode
S cathode
Anode: 16 Li ? ?Di ? /?Chs?ch 16 Li ? ? 16e? Step i: S8 ? 4Li? ? 4e? ? 2Li2S4
Step ii: 4Li2S2 ? 8Li? ? 8e? ? 8L 2S
50th cycle
J. Electrochem. Soc., 151 (12) A2067-A2073 (2019)
1st cycle
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
分级介孔碳-硫复合正极材料
软模板法制备介孔碳
KOH活化得到分级介孔碳 +S
S/C复合材料
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
锂硫电池的优势和挑战
2600 Wh kg -1
高比能量
成本低
正极采用硫
环境友好
锂硫电池
电解液的稳定性
元素硫的导电性差
循环容量衰减 Sx2-的穿梭
自放电严重活性物质利用率低
锂负极的枝晶问题
Li-S 电池容量衰减
? Cathode composition S：C：binder = 84:12:4 theory capacity ：1404
Cathode: S8 ? 16Li? ? 16e? ? ?Disc?h/?Ch? 8Li2S Step iii: 2Li2S4 ? 4Li? ? 4e? ? 4L 2S2
Yamin etal, J. Power Sources, 9 (1983) 281-287 Ji et al, J. Mater. Chem., 2019, 20, 9821-9826
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, 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