近期鋰硫電池研究進展

2020-11-23 全國能源信息平臺

【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】

//dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c04933 4.用Co9S8@MoS2核−殼結構解開MoS2的能帶結構提高鋰−硫電池的催化活性 在鋰硫電池（LSBs）中引入雙功能中間層可有效抑制。新型高供體數鋰硫電池電解液 在鋰硫電池中。內建晶面自調節以選擇性S/Li2S轉換用於高體積能量密度鋰硫電池 重量、面積和體積容量對二次電池的市場佔有率具有重要影響。

1. Adv. Mater.: 新型高供體數鋰硫電池電解液

在鋰硫電池中，多硫化鋰作為連接正極氧化態物種硫和還原態物種硫化鋰的橋梁，起到了重要作用。由於在實用電池中電解液用量很小，多硫化鋰溶解度有限，因此會造成硫利用率低等問題。近日，韓國首爾國立大學的Kookheon Char和Jang Wook Choi課題組使用醯胺類高供體溶劑為鋰硫電池電解液，實現了貧液鋰硫電池的高能量密度。

本文要點

1) 首次提出以1,3-二甲基-2-咪唑啉酮（DMI）為鋰硫電池溶劑。DMI對多硫化鋰溶解度高，且二者不發生反應；

2) 作者使用0.5 M LiNO3作為添加劑來穩定鋰負極，以提升鋰硫電池循環性能；

3) 在5 μL/mg(s)的液硫比，0.03 C倍率條件下，電池展示出1595 mAh/g的比容量，80周循環後容量保持率為59.6 %。

參考文獻：

M. Baek et al. New High Donor Electrolyte for Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Mater., 2020

DOI: 10.1002/adma.202005022

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005022

2. 劉忠範院士AM：用於Li-S電池的高效多硫化物固定劑和鋰穩定劑V8C7-VO2雙功能支架的三維列印

鋰硫（Li-S）電池因其成本低、能量密度高而引起了人們的極大興趣。然而，嚴重的多硫化物的穿梭效應和鋰枝晶不可控生長都極大地阻礙了Li-S電池的商業化進程。近年來，用來同時調控多硫化物行為和抑制鋰枝晶生長的合理方法得到了迅速發展。然而，高性能鋰硫電池的主要障礙仍然在於有限的雙功能材料候選材料，以及缺乏有效可定製設備的先進技術。近年來，3D列印(3DP)技術的蓬勃發展，極大地促進了儲能和生物醫學電子領域的設備創新。

有鑑於此，北京大學劉忠範院士，蘇州大學孫靖宇教授報導了一種「二合一」的策略，通過3DP技術來製備V8C7-VO2異質結構支架，作為高性能Li-S電池的雙效多硫化物固定劑和鋰枝晶抑制劑。

文章要點

1）研究人員從NH4VO3，葡萄糖和尿素前體開始，通過將簡單的退火工藝與水熱反應相結合，成功生產出V8C7–VO2納米花。所獲得的材料作為關鍵的3DP油墨配方。接下來，利用硫胺化學路線，將硫納米顆粒負載到V8C7–VO2上，形成V8C7–VO2/S。在整個基於擠壓的3DP策略中，可以以便捷，可控制和可擴展的方式精確地構建各種形狀的定製架構。

2）基於該策略設計的V8C7-VO2極性和導電異質結構能夠提供很強的捕獲性和多硫化物的快速轉化。此外，這種具有親鋰性質的異質結構將誘導Li的均勻生長，從而有效地降低成核過電勢，抑制枝晶的形成。

3）得益於3DP -V8C7-VO2支架的大孔體積、高電導率和暢通的離子傳輸路徑，所研製的3DP-V8C7-VO2/S電極具有優異的倍率性能（6.0 C 下的容量達到643.5 mAh g−1），良好的循環穩定性（4 C下，經過900次循環後，每循環的容量損失僅為0.061%）。令人激動的是，與兩個3DP主機集成的Li-S電池在高硫負荷下實現了高面積容量（7.36mAh cm−2，硫負荷為9.2 mg cm−2，CE超過99.7%）。此外，將3DP-V8C7-VO2/S||3DP-V8C7-VO2@Li直接用作手環電池時，可以成功為電子手環表供電，從而為可穿戴能源應用帶來了無限希望。

Jingsheng Cai, et al, 3D Printing of a V8C7-VO2 Bifunctional Scaffold as an Effective Polysulfide Immobilizer and Lithium Stabilizer for Li–S Batteries, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202005967

https://doi.org/10.1002/adma.202005967

3. 河南大學ACS Nano：內建晶面自調節以選擇性S/Li2S轉換用於高體積能量密度鋰硫電池

重量、面積和體積容量對二次電池的市場佔有率具有重要影響。儘管碳質材料在改善鋰硫電池的重量和面容量方面處於領先地位。但其也存在一些固有的缺陷，如對多硫化鋰（LiPS）的固定不充分，振實密度低，體積性能差以及循環性能差等。

近日，河南大學肖助兵教授報導了一種共晶鹽-佐劑固相合成方法，以在相對較低的溫度下製備具有高振實密度的金屬ZrB2納米片。

文章要點

1）結合第一性原理計算和光譜學研究，研究人員證實了在局部暴露的B和Zr位置上內置的Li-S電化學Janus晶體刻面自介導行為，其中帶負電的B位置主要介導了放電過程，而帶正電的Zr原子可在充電過程中將LiPS進一步氧化為最終產物S，即使在高電流密度和高硫負荷下，也能實現高硫利用率。

2）與先前通過非特異性介導行為捕獲LiPS的策略不同，這種策略對Li-S電化學的選擇性催化性能非常有效。結果顯示，所製備的緊密堆積的ZrB2-S電極可提供8.5 mAh cm-2的高面積容量和533 Wh L-1的電池級體積能量密度，以及7.8 mg cm-2的高硫負載量和超低電解質劑量。

這項工作提出了從電池級角度開發高性能Li-S電池的設計準則。

Tianli Wu, et al, Selective S/Li2S Conversion via in-Built Crystal Facet Self-Mediation: Toward High Volumetric Energy Density Lithium−Sulfur Batteries, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c04933

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c04933

4.用Co9S8@MoS2核−殼結構解開MoS2的能帶結構提高鋰−硫電池的催化活性

在鋰硫電池（LSBs）中引入雙功能中間層可有效抑制「穿梭效應」和提高緩慢的硫轉化動力學。其對金屬硫化物的能帶結構的調節則可以有效提高其催化活性，對於抑制多硫化鋰（LiPS）在LSBs中的穿梭效應起到了重要作用。

有鑑於此，陝西科技大學許並社教授，杜高輝教授，蘇慶梅副教授報導了一種Co9S8@MoS2核−殼層異質結構，並將其固定在碳納米纖維(Co9S8@MoS2/CNF)上，作為抑制LiPS穿梭效應的中間層。所製備的複合異質結構是一種有效的替代材料，具有化學吸附和電化學催化之間的協同關係。

文章要點

1）研究人員首先採用靜電紡絲法製備了Co@Mo/PAN。將Co@Mo/PAN在260 °C的空氣中收集並穩定2 h，然後在600 ℃的硫氣氛中反應2 h，得到Co9S8@Mo/CNF。

2）研究發現，Co9S8核可以有效地調節MoS2殼層的能帶結構，Co9S8@MoS2/CNF能有效地捕獲LiPSs，使LiPSs轉化為Li2S2，進而從Li2S2轉化為Li2S。重要的是，在高硫負載量分別為6和10 mg cm−2的情況下，電池循環50次後仍能保持1002和986 mA g−1的高容量。

研究工作突出了原子級異質結構作為多功能中間層的設計，具有吸附和催化雙功能協同作用。最終有效地緩解了LiPSs的穿梭效應，增強了LiPSs的電化學氧化還原反應，極大促進了LSB的實際應用前景。

Boyu Li, et al, Tuning the Band Structure of MoS2 via Co9S8@MoS2 Core−Shell Structure to Boost Catalytic Activity for Lithium−Sulfur Batteries, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c07332

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07332

免責聲明：以上內容轉載自中國能源網，所發內容不代表本平臺立場。

全國能源信息平臺聯繫電話：010-65367702，郵箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社

相關焦點

  • 鋰硫精選：10篇好文回顧鋰硫電池近期工作進展
    鋰硫電池（Li-S）已成為未來儲能設備的一種可行的替代品，基於鋰和硫的電化學反應具有遠遠高於目前商業化的鋰離子電池的理論能量密度（2600 Wh kg-1）。本文總結了鋰硫電池最新的研究進展，包括正極載體材料、隔膜和固態電解質/電解液等方面，希望對有關研究人員有所啟發。1.
  • 關於石墨烯應用於鋰硫電池的研究進展詳解
    另外, 可以調控石墨烯缺陷,可以引入官能團,對其摻雜改性,更利於吸附多硫化物,提高鋰硫電池的循環性能。本文綜述了近年來關於石墨烯及其複合材料作為鋰硫電池正極材料的相關研究成果,並提出了石墨烯基鋰硫電池的未來發展方向。 不難想像,石墨烯與硫結合形態眾多,如包覆、混雜、吸附、「三明治冶、插層堆砌等,如圖2所示。其實,研究報導的各種微結構和各種方法設計層出不窮。
  • 鈉離子電池及鋰硫電池最新研究進展匯總
    最近，有關用於循環中無枝晶鈉沉積的納米三維電流收集器的合理設計取得了一定進展。然而，在上述主體中鈉成核和生長的行為等關鍵信息仍是未解之謎。近日，廈門大學王鳴生教授(通訊作者)等使用無定型碳納米纖維(CNF)作為集電器，通過原位電子顯微鏡首次在納米尺度下對鈉電鍍/退鍍的動力學進行觀察。使用固態電解質，作者發現金屬鈉以納/微粒的形式在單一CNFs周圍所有可能的區域(甚至在其網絡)可逆的生長和溶解。
  • 澳大利亞伍倫貢大學梁驥、遼寧工程技術大學洪曉東鋰硫電池綜述:鋰硫電池中化學吸附和催化轉化材料的最新研究進展
    近年來，鋰硫電池領域取得了重大研究進展。然而鋰硫電池的商業化仍發展緩慢，主要歸因於以下幾個方面。
  • 武漢科技大學在高比能鋰硫電池研究領域取得進展
    」在高比能鋰硫電池研究領域取得進展，研究成果「Defective Graphitic Carbon Nitride Modified Separators with Efficient Polysulfide Traps and Catalytic Sites for Fast and Reliable Sulfur Electrochemistry
  • 鋰硫電池充放電原理_鋰硫電池的應用
    到這裡應該基本能搞清楚鋰硫電池遇到的問題是什麼，目前的研究也基本就集中在這些問題上，做到高能量密度，提高正極S的含量，增強循環穩定性，安全性。順便提一下，在這個研究過程中，設備的損傷確實蠻大。 　　鋰硫電池的充放電工作原理： 　　典型的鋰硫電池一般採用單質硫作為正極，金屬鋰片作為負極，它的反應機理不同於鋰離子電池的離子脫嵌機理，而是電化學機理。
  • 河南大學肖助兵團隊在高體積能量密度鋰硫電池研究取得重要進展
    近日，河南大學光伏材料省重點實驗室肖助兵教授課題組在高體積能量密度鋰硫電池方面取得重要研究進展，該工作以我校為獨立第一單位，以「Selective S/Li2S Conversion via in-Built Crystal Facet Self-Mediation: Towards High Volumetric Energy Density
  • 中國高能量密度鋰硫電池研究取得進展
    （觀察者網訊）據觀察者網4月1日從中科院網站獲悉，由於正極材料硫具有高理論比容量、豐富的自然儲備、低成本和環境友好等顯著優點，鋰硫電池被認為是最有前景的下一代能量存儲系統。使用導電碳質材料作為硫主體來構造硫正極的傳統方法中，由於低極性碳和高極性LiPS之間的相互作用弱，碳基材料提供的物理隔離和物理吸附對抑制電池容量衰減的作用有限，特別是對於高載硫電極。
  • 北理工在鋰硫電池負極保護策略領域取得新進展
    近日，材料類頂級國際期刊《Advanced Materials》（《先進材料》，影響因子27.4）報導了北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦課題組在鋰硫電池鋰負極保護方面的研究進展，相關研究成果以「Shielding Polysulfide Intermediates by an Organosulfur‐Containing
  • 鋰硫電池優缺點_鋰硫電池電極材料
    由於鋰硫電池主要採用硫和鋰作為生產原材料，生產成本相對較低；另一方面，鋰硫電池在使用後低毒，並且回收利用的能耗較小。 　　缺點：鋰硫電池最大的劣勢在於其循環利用次數比較低。因為硫化聚合物具有穩定性比較差的特性，所以當前鋰硫電池的循環利用次數要遠遠低於普通的磷酸鐵鋰電池，這就極大的增加了鋰硫電池的使用成本。
  • 超快長循環壽命鋰硫電池:基於石墨烯的三明治結構
    近年來發現，以單質硫為正極活性材料的鋰硫（Li-S）電池能夠突破傳統的過渡金屬氧化物基正極物質的理論儲鋰容量限制（當發生電池反應S + 2Li = Li2S時，相應的理論比能量為2567 Wh/Kg及正極理論比容量高達1675 mAh/g，且硫和鋰的反應具有可逆性），且鋰硫電池中的正極材料硫具有儲量豐富、無毒、廉價等特點而倍受關注。
  • 【中國科學報】科學家提升鋰硫電池循環穩定性---中國科學院
    由於硫具有低成本和環境友好等優勢，鋰硫電池（Li-S）擁有較高的理論比容量和能量密度，被視為最有應用前景的高容量存儲體系之一。近期，中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員王瑞虎課題組和溫州大學教授楊植合作，實現了大幅提高鋰硫電池穩定性的同時，增加其大功率放電性能。　　這項成果有效解決了鋰硫電池商業化應用方面面臨的一些技術挑戰。
  • 什麼是鋰硫電池?鋰硫電池有什麼特點?
    近日，媒體紛紛宣傳鋰硫電池獲得新突破，可令電動汽車續航達到1000公裡。那麼，什麼是鋰硫電池，它與當前主流的鋰離子電池有什麼異同？鋰硫電池是鋰電池的一種，是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的一種鋰電池。單質硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環境友好等特點。
  • 高性能鋰二次電池研究獲進展
    隨著電動汽車和移動電子產品的發展，社會對能源存儲與轉化提出更高要求，繼鋰離子電池之後，可充電電池的高能量密度、高倍率充放電、高循環穩定性成為需求。鋰硫電池憑藉其高能量密度（2600 Whkg-1）、經濟環保等優勢成為下一代儲能體系的候選者。
  • 快速充放電且耐高溫鋰硫電池三維交聯結構正極材料研究
    【成果簡介】南京大學化學化工學院金鐘、劉傑教授共同帶領的「先進能源材料與器件」研究團隊在高倍率、高耐受性能的鋰硫電池方面取得研究進展，相關成果以「Self-Templated Formation of Interlaced Carbon Nanotubes Threaded Hollow Co3S4
  • 美研究人員開發混合電極 延長鋰硫電池循環壽命
    美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)近日刊文稱，可以通過一種由石墨和鋰構成的混合電極，使鋰硫電池的基礎循環壽命達到400次，進而提高電動汽車的行駛裡程。　　雖然400次的循環壽命並不出眾，但和普通鋰電池相比，鋰硫電池的能量密度高2-3倍，而限制這種電池發展的最大問題就是電池反應過程中，硫化物流出縮短了電池的循環壽命。　　文章作者劉軍(音譯)說，為了克服這一問題，迄今為止的多數研究都致力於阻止硫化物洩漏。
  • 中科院福建物構所提升鋰硫電池循環穩定性—新聞—科學網
    由於硫具有低成本和環境友好等優勢，鋰硫電池（Li-S）擁有較高的理論比容量和能量密度，被視為最有應用前景的高容量存儲體系之一。近期，中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員王瑞虎課題組和溫州大學教授楊植合作，實現了大幅提高鋰硫電池穩定性的同時，增加其大功率放電性能。 這項成果有效解決了鋰硫電池商業化應用方面面臨的一些技術挑戰。
  • 鋰硫電池的坎坷產業化之路還有多遠?
    S元素的理論容量可達1675mAh/g，按照2.15V的平均電壓計算，Li-S電池的理論重量能量密度可達2510Wh/kg，但是S正極還存在中間反應產物溶解，電子導電性差和體積膨脹大等問題，制約了其在實際生產中的應用。雖然在學術研究上Li-S電池已經取得了很多進展，但是要實現商業應用仍然還有很大的差距。
  • ...蔚來|鋰硫電池|固態電池|動力電池|鋰離子電池|中國科學院物理...
    可以看到，作為最有希望的下一代電池，固態電池似乎已經到達產業化應用的前夜。被稱為下一代的電池技術有很多，除了固態電池，還有鋰空氣電池、鋰硫電池等等。這些技術的進展如何？優勢和短板又有哪些？2021年1月9日，國軒高科第十屆科技大會第二天，中科院物理所研究院李泓、廈門大學教授董全峰和中國科學技術大學教授陳春華就對上述三種技術的進展狀況進行了闡述。1固態電池有望率先量產蔚來日上，蔚來透露，採用的固態電池採用了原位固態化技術。
  • 美國研究人員發現新型電解質材料 或實現更高效的鋰硫電池
    （圖片來源：美國能源部阿貢國家實驗室） 其中一種電池為鋰硫電池不過，此種電池內部發生的寄生反應會損害其性能，阻礙其高效循環。 現在，美國能源部阿貢國家實驗室（U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory）的科學家們發現了一種電解質材料，可以降低此種寄生反應的頻率，為研發更高效的鋰硫電池鋪平道路。