化学改性碳在锂硫电池中的研究进展
《ZIF-9金属有机骨架材料衍生多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用》范文
《ZIF-9金属有机骨架材料衍生多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用》篇一一、引言随着能源需求的增长和环境保护意识的提高，开发高效、环保的能源存储技术已成为研究的热点。
锂硫（Li-S）电池因具有高能量密度、低自放电率和环保性等优点，而成为下一代电池的重要候选者。
然而，Li-S电池的商业化进程仍面临许多挑战，如硫正极的导电性差、充放电过程中体积效应和穿梭效应等。
针对这些问题，研究者们正积极寻找改善方法，其中之一就是利用多孔碳材料作为硫的载体。
本文将详细介绍ZIF-9金属有机骨架材料衍生多孔碳材料的制备方法及其在Li-S电池中的应用。
二、ZIF-9金属有机骨架材料衍生多孔碳材料的制备1. 合成过程首先，需要合成ZIF-9金属有机骨架材料。
ZIF-9是一种由锌离子和有机配体组成的金属有机骨架（MOF）材料，具有高度多孔的结构和良好的化学稳定性。
合成过程中，将锌盐和有机配体在适当的溶剂中混合，通过调节pH值和温度等条件，使二者发生配位反应，生成ZIF-9。
然后，通过热解ZIF-9来制备多孔碳材料。
将ZIF-9在惰性气氛下进行高温热解，使有机配体发生热解反应，生成多孔碳材料。
在热解过程中，金属锌作为模板被蒸发，从而在碳材料中留下丰富的孔隙。
2. 制备工艺参数优化为了获得最佳的多孔碳材料，需要优化制备过程中的工艺参数。
例如，热解温度、热解时间和气氛等都会影响碳材料的结构和性能。
通过调整这些参数，可以获得具有不同孔径分布、比表面积和电导率的碳材料。
三、多孔碳材料在锂硫电池中的应用1. 硫的负载与复合将硫负载在多孔碳材料上，可以有效地提高硫的导电性和利用率。
通过控制硫的负载量、粒径和分布等参数，可以优化硫正极的性能。
同时，多孔碳材料还可以缓解硫在充放电过程中的体积效应，提高电池的循环稳定性。
2. 电池性能分析将负载了硫的多孔碳材料作为正极，与锂金属负极配对，组装成Li-S电池。
通过测试电池的充放电性能、循环稳定性和倍率性能等指标，可以评估多孔碳材料在Li-S电池中的应用效果。
ZIF-67衍生多孔碳的制备及其在锂硫电池中的应用研究
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功能化碳管作为硫正极载体材料应用于锂硫电池中的研究进展
第1期2019年2月No.1 February，20191 锂硫电池的概述不同于传统“摇椅式”机制的锂离子电池，锂硫电池的充放电过程是硫离子得失电子的氧化还原反应。
在放电过程中，硫原子得到电子，并与锂离子结合，最终生成硫化锂，而充电过程则是硫化锂失去电子变成硫单质的逆反应。
氧化还原过程的方程式：S 8+16Li ++16e -→8Li 2S 。
由于锂硫电池具有超高的理论比能量（2 500 Wh/kg ）和比容量（1 675 mAh/g ），且硫单质具有储量丰富、价格低廉等优点，因而受到各国研究者的广泛关注[1-2]。
然而，它的商业化进程依然受到一些难题的阻碍，如活性物质硫单质及其放电产物硫化锂的电绝缘性严重阻碍了电子的传输，降低了硫的利用率。
中间放电产物多硫化锂易溶于电解液，引发穿梭效应，从而损害电池的循环稳定性能和库伦效率。
此外，由于硫单质和硫化锂的密度差异较大，长循环的充放电过程导致硫电极的结构发生崩塌，造成活性物质的脱落和容量的骤减。
针对上述难题，研究者们从优化正极载体结构的角度出发，设计了具有多种形貌、孔径结构及表面化学组成的材料用于载硫，有效提高了锂硫电池的性能。
具有优良导电性能及结构可控性的碳材料被不断开发。
其中，一维碳管材料作为一种高效的碳载体，被广泛应用于锂硫电池中。
2 功能化碳管作为硫载体的研究概述一维碳管材料不仅具有优良的导电性、表面可修饰性且易编织的特点便于组装具有三维自支撑结构的导电网络，极大地提高了硫在电极中所占的比重。
因此，备受研究者的青睐。
早在2012年，Su 等[3]通过盐酸和硫代硫酸钠反应在碳管表面原位生长硫颗粒，并利用真空抽滤法，将碳管相互串联，组装了三维自支撑电池材料，如图1A 所示。
在图1C 的电流密度下循环100圈后，电池比容量依然保持在915 mAh/g 。
Wang 等[4]利用阳极氧化铝（Anodic Aluminum Oxide ，AAO ）作为硬模板，在AAO 的表面负载纳米铜后，利用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition ，CVD ）法，制备了空心碳管内部生长小碳管的碳复合材料，如图1B 所示。
Li-S电池和Li-Air电池的研究进展
Li-S电池和Li-Air电池的研究进展锂离子电池已经改变了便携式电子产品，并且在交通电气化中扮演了非常重要的角色。
然而，锂离子电池的能量上限不足以满足当今社会的长远需求，例如扩展范围的电力汽车。
超越锂离子电池的限制是一个艰难的挑战，有几种选择。
这里，我们考虑两种：锂硫电池和锂空气电池。
储存在锂硫电池和锂空气电池中的能量不亚于锂离子电池。
科研工作者还正在研究这两种电池的作用机理，如果这两种电池被成功开发，那么一直困扰着人们的难题将会被解决。
在电池的反应机制以及新的材料方面的最新科学进展是非常关键的。
关键词：锂硫电池，锂空气电池第一章锂硫电池[1]1.1背景锂离子电池(LIBs)，是最普遍的可交换能源之一，在20世纪90年代最初被使用到现在已经超过了20多年，在便携式设备中一直被广泛使用。
然而，LIBs已经达到其理论能量极限，因此不能满足当今电力汽车的大容量与长循环寿命的需求。
随着越来越迫切的需求以及强大的市场潜力，科研工作者们开始研究具有更高能量密度而且成本更低的可交换电池。
金属锂在所有金属中电负性很高而拥有最低的密度，所以有着最高的容量（3861 mAh/g）,而且它是所有的可交换电池负极材料中优先考虑的。
单质硫的理论容量是1673 mAh/g。
因此，在考虑锂硫完全反应的情况下，锂硫电池可以达到非常高的质量能量密度(2500Wh/kg)和体积能量密度(2800 Wh/L)。
而且由于地球上硫元素的储备非常丰富，该电池比LIBs的成本更低。
与LIBs相比，硫阴极可以保持在一个安全的电压范围（1.5-2.5V）。
另外，硫是无毒的。
毋庸置疑，锂硫电池的这些优势使其成为能源储备的一个非常好的选择，同时在绿色能源中也扮演了非常重要的角色，因此缓解了全球变暖而且减少了化石燃料的使用。
然而，锂硫电池的商业化收到了以下方面的阻碍。
例如硫元素的绝热特性以及多硫化物的溶解会导致硫的损失和电池容量的极速降低。
为了解决这些问题，人们努力把材料做成纳米维度和结构，纳米尺寸材料因其不易降解的特性成为解决上述问题的一种非常有效的手段。
碳纳米材料在锂电池中的应用研究
碳纳米材料在锂电池中的应用研究一、引言锂电池是目前世界上应用最广泛的可充电电池之一，广泛应用于电动车、手机、笔记本电脑等领域。
然而，锂电池的能量密度、寿命和安全性等方面仍然存在挑战。
碳纳米材料作为一种新型的材料，在锂电池领域展现出了巨大的应用潜力。
本文将探讨碳纳米材料在锂电池中的应用研究。
二、碳纳米材料的特性碳纳米材料具有很多独特的特性，使其成为锂电池的理想候选材料。
首先，碳纳米材料具有高比表面积和孔隙结构，这可以增加锂离子的储存空间，提高电池的储能能力。
其次，碳纳米材料具有优异的导电性能，可以降低电池内电阻，提高电池的充放电效率。
此外，碳纳米材料还具有良好的化学稳定性和机械稳定性，可以有效延长电池的寿命。
三、碳纳米材料在锂电池正极中的应用1. 碳纳米材料作为锂离子储存材料许多研究表明，碳纳米材料可以作为锂电池正极的储存材料，能够提供更高的比容量和较长的循环寿命。
碳纳米材料的高比表面积和孔隙结构使其能够更好地嵌入和释放锂离子，从而提高电池的能量密度和循环稳定性。
2. 碳纳米材料与过渡金属氧化物的复合应用将碳纳米材料与过渡金属氧化物进行复合可以进一步提高锂电池的性能。
过渡金属氧化物具有高的理论比容量和反应活性，但存在着体积变化大、结构破坏等问题。
碳纳米材料的引入可以有效缓解这些问题，同时提高电池的循环寿命和安全性。
四、碳纳米材料在锂电池负极中的应用1. 碳纳米材料作为锂离子嵌入负极碳纳米材料可以作为锂电池负极的嵌入材料，能够提供更高的比容量和较长的循环寿命。
碳纳米材料具有高比表面积和孔隙结构，能够更好地吸附和嵌入锂离子，从而提高电池的能量密度和循环稳定性。
2. 碳纳米材料与硅的复合应用硅是一种具有高比容量的理想锂离子嵌入材料，但存在着严重的体积膨胀和结构破坏问题。
碳纳米材料与硅的复合应用可以有效缓解这些问题，提高电池的循环寿命和安全性。
碳纳米材料通过改善硅的电子传导性能和机械稳定性，同时保持硅的高比容量，为锂电池的发展提供了新的思路。
锂硫电池的研究现状与展望
单质硫的理论比容量为 1 675 mAh/ g, 与锂组装成电池, 理论比能量可达 2 600 Wh/ kg, 符合电动汽车( EV) 对电池的 要求, 也符合便携式电子产品对电池/ 轻、薄、小0 的要求。由 于硫具有来源广泛( 成 本低) 、无毒 ( 无污染 ) 等特 点, 锂硫电 池成为人们 研究的重 点[ 1] 。本 文作 者概括 了近 年来 锂硫电 池的研究现状, 并对发展前景进行了展望。
性能 。以聚苯 撑和聚苯胺为骨架的研究正在进行中[ 1] 。 312 碳硫聚合物
主链为线性 碳链, 侧链 含 S ) S 键 的碳硫聚 合物的 硫碳 比较 高, 与锂负极配合, 能组装出较高比容量的锂硫电池。
徐国祥等[ 13] 用单质硫和无水硫 化钠反应 制得三 硫化聚 乙烯( 3SPV C) 和四硫化聚乙烯( 4SP VC) , 并制 成正极 与锂负 极配合 使用。3SPVC 和 4SPV C 分别 具 有 2331 8 mA h/ g 和 30113 mA h/ g 的首次放电比容量 , 经过 10 次循 环后, 放电比 容量为 20015 mAh/ g 和 2171 0 mAh/ g 。余仲宝等[ 14] 将自制 的 S- C 复合材料、乙炔黑、聚环氧乙 烷按质量 比 70B20B10 制 成正极, 在室温下 120 mA 的首次放电容量达 1 700 mAh, 比 能量为 300 Wh/ kg; 100 mA 循环 50 次后, 容 量保 持率 约为 60% 。蔡迎军等[ 14] 将 碳炔 类似 物与 单质 硫共 热, 制备 了多 硫化碳炔, 在 1 mol/ L L iPF6 / EC+ DEC 电解 液中, 电池 的首 次放电比容 量达 799 mAh/ g , 循 环 60 次 后 的比 容量 为 520 mAh/ g , 容量保持率可达 65% 。 313 单质硫
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。
11
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。
9
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
锂硫电池锂负极保护策略及研究进展
锂硫电池锂负极保护策略及研究进展■ 文/王恺雯 杨 坤 唐 琼 李 璐 张逸潇 合肥工业大学电子科学与应用物理学院锂硫电池作为一种新型储能体系，具有高比容量（1675mAh/g）、高能量密度（2500Wh/kg）以及原材料价格低廉、对环境友好等优势，研究其在电动汽车、无人机、便携式电子设备和智能电网等领域的应用具有重要意义。
但锂硫电池的产业化道路仍面临重重阻碍,硫及其还原产物的绝缘性、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶等严重影响了电池的性能。
研究人员一直以来致力于解决硫的分散和中间反应物的穿梭，并已取得良好成效，但锂金属负极存在的问题仍限制了锂硫电池的长循环寿命。
近年来，研究人员对锂负极的保护日益重视，并进行了积极广泛的探索，使锂硫电池的商业化应用又向前迈进了一步。
1 锂负极面临的问题锂是最轻的碱金属元素,也是电势最低的电极材料，相对于标准氢电极，锂的电势为-3.04V,具有极强的还原性,几乎可与所有的电解液发生反应。
锂在电极表面的生长受锂核与电极基底结合力的影响，可分为2种模式，一种是表面式生长，另一种是根植式生长[1]。
当锂与基底结合力较强时，发生表面式生长，即与电解液发生歧化反应生成电解质界面膜层（S E I），S E I层于1970年首先被发现[2]，并于1979年被正式命名[3]。
S E I层对离子导电，对电子绝缘，因其生长不均匀，不能充分钝化负极表面，导致锂持续与电解液发生反应，不仅消耗电解液，而且降低电池的库伦效率，并且较厚的S E I层阻碍了离子的扩散和迁移。
当锂与基底结合力较弱时，发生根植式生长，锂负极生成树枝状的锂枝晶。
锂枝晶的生长会使S E I层破裂，进一步消耗电解液和锂负极，枝晶生长过长还将刺破隔膜，造成电池短路，而枝晶若从基底脱落，便成为“死锂”，降低电池循环效率。
此外，锂在沉积和剥离的过程中经历大幅度的体积变化，会引发安全问题。
目前，已有很多工作被报道从不同方面来解决上述这些问题。