锂硫电池中高度有序的纳米结构碳-硫正极(通讯

作者: 汽车优德  发布:2019-08-15

目前,锂离子电池广泛应用于各种便携式电子设备、电动汽车中,但随着这些设备的不断发展,基于石墨、插层化合物的锂离子电池仍不能满足社会的发展需要。为了进一步拓展锂离子电池的应用前景,各种体系的电池得到了研究人员的关注。其中,锂硫电池具有1672mAh/g的高理论比容量,几乎是传统正极材料如过渡金属氧化物、磷酸盐材料理论比容量的10倍;此外,硫还具有价格低廉、环境友好等优点,从而有望成为下一代理想的正极材料。锂硫电池的概念最早在上世纪60年代就被提出,但直到近20年才有相关的比较突出的研究成果。在本期内容中,材料人网为大家推荐锂硫电池领域ESI高被引文章,并按被引频次列出10篇文章并对其通讯作者加以介绍,旨在为相关领域的研究人员提供便利。

1、A highly ordered nanostructured carbon–sulphur cathode for lithium–sulphur batteries

锂硫电池中高度有序的纳米结构碳-硫正极(通讯作者:Linda F. Nazar 被引频次:1730)

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图1 碳-硫复合物的SEM图及其电化学表征

作者报道了一种高度有序、交织状的复合碳-硫正极材料,利用碳材料结构框架限制了硫在充放电过程中的溶解,实现了具有高比容量的锂硫电池的制备。

2、Graphene-Wrapped Sulfur Particles as a Rechargeable Lithium-Sulfur Battery Cathode Material with High Capacity and Cycling Stability

具有高比容量及循环稳定性的石墨烯包覆硫微粒的锂硫电池(通讯作者:崔屹 被引频次:825)

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图2 石墨烯-硫复合材料的合成步骤及预计得到的复合材料的示意图

作者在文章中介绍了一种利用炭黑修饰的石墨烯纳米片包裹聚合物包覆的亚微米硫的结构,得到的石墨烯-硫复合材料在电化学测试中经过100次循环后仍有600mAh/g的比容量,从而成为二次电池有潜质的正极材料。

3、Porous Hollow Carbon@SulfurComposites for High-Power Lithium–Sulfur Batteries

高功率锂硫电池用多孔空心碳-硫复合材料(通讯作者:Lynden A. Archer 被引频次:645)

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图3 介孔碳空心球、碳-硫纳米复合物的TEM图及碳-硫纳米复合物的EDX谱图

该文作者介绍了一种简单的合成介孔碳空心球的方法,并将其与硫进行复合用于锂硫电池中。经电化学测试,在0.5C倍率下100次循环后比容量可达到850mAh/g。该方法为锂硫电池的纳米化结构提供了新的指导思想。

4、Graphene Oxide as a Sulfur Immobilizer in High Performance Lithium/Sulfur Cells

高性能锂硫电池中使用氧化石墨烯作为固硫剂(通讯作者:张跃钢 被引频次:603)

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图4 GO-S纳米复合物在氩气气氛155℃下热处理12h后的SEM图与EDX谱图

该文章作者针对锂硫电池中存在的多硫化物溶解造成电池容量衰减的问题,提出了在氧化石墨烯的反应性官能团上用化学法固定多硫化物的方法,从而能在氧化石墨烯纳米片上得到均匀、薄的硫纳米包覆层。经电化学测试,电池的比容量可达到950-1400mAh/g,在0.1C倍率下可稳定循环50次以上。

5、Hollow Carbon Nanofiber-Encapsulated Sulfur Cathodes for High Specific Capacity Rechargeable Lithium Batteries

高比容量锂硫电池中的空心碳包覆硫正极材料(通讯作者:崔屹 被引频次:553)

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图5 中空碳纳米纤维/硫复合材料结构设计示意图

该文作者针对锂硫电池充放电过程中多硫化物溶解的问题,提出了用空心碳纳米纤维包覆硫的结构,能有效限制多硫化物的溶解。经过电化学测试该电池具有优异的循环性能,为锂硫电池的设计提出了新思路。

6、Enhancement of long stability of sulfur cathode by encapsulating sulfur into micropores of carbon spheres

通过微孔碳球包覆硫正极材料提高电池长循环性能(通讯作者:高学平 被引频次:525)

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图6 碳球与碳-硫复合物的TEM图片、HAADF-STEM图片、EDX谱图

该文章作者通过一种简单的将微孔碳与硫进行热处理的方法,得到了用于高能量密度锂硫电池的碳-硫复合负极材料,该复合材料中硫的负载量达到了42wt%,电化学测试表明改电池具有长循环稳定性。

7、Hierarchically Structured Sulfur/Carbon Nanocomposite Material for High-Energy Lithium Battery

高能量密度锂硫电池中的硫-碳纳米复合分级结构材料(通讯作者:梁诚笃 被引频次:505)

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图7 以双峰多孔碳支撑的硫-碳复合正极材料的示意图

该文章作者首次报道了一种用于高能量密度锂硫电池中的分级硫-碳复合材料,通过软模板法合成了孔径为7.3nm的介孔碳材料,通过氢氧化钾活化后得到一种具有少于2nm孔径的双峰微孔碳材料,通过溶硫使其负载在多孔碳材料中。高比表面积、孔隙率显著提高了硫的利用率。

8、Sulfur-Impregnated Disordered Carbon Nanotubes Cathode for Lithium-Sulfur Batteries

锂硫电池中硫浸渍无序碳纳米管正极(通讯作者:王春生 被引频次:494)

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图8 无序碳纳米管的TEM图及硫浸渍无序碳纳米管电极第二次循环的CV曲线

在这项研究中,研究人员合成了硫浸渍碳纳米管正极材料,得到的电池具有优异的循环性能和高的库伦效率。此外,电化学表征表明热处理使硫在碳中的固定存在新的稳定机制。

9、Smaller Sulfur Molecules Promise Better Lithium?Sulfur Batteries

锂硫电池中小硫分子具有更好的性能(通讯作者:万立骏 被引频次:477)

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图9 CNT@MPC的结构表征

该文章作者针对锂硫电池中硫损失的问题,提出了通过控制硫分子的尺寸至较小的同素异形体可有效减少硫的损失,在导电微孔碳的网络中合成亚稳态小硫分子S2-4,该小分子可完全避免过渡态的大分子S8和S42-。

10、Sulphur–TiO2 yolk–shell nanoarchitecture with internal void space for long-cycle lithium–sulphur batteries

中空的硫-TiO2核壳纳米结构用于长循环锂硫电池(通讯作者:崔屹 被引频次:462)

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图10 在各种硫基纳米结构中嵌锂的示意图

研究人员针对锂硫电池中硫的体积膨胀及多硫化物溶解的问题,合成了一种TiO2包覆硫的核壳结构,同时在TiO2壳层内部为硫预留了膨胀的体积空间。该工作为具有体积膨胀材料在电极中的应用提供了建设性思想。

上述文章部分通讯作者及其简介:

Linda F. Nazar,加拿大滑铁卢大学化学、电子及计算机工程教授,是一位世界电池领域的女杰出科学家,主要研究储能材料和固态电化学材料,2009年曾经获得国际电化学会电池部研究奖,2010年获得加州研究所摩尔杰出学者奖,2011年获国际锂电池学会奖,2011年获国际纯粹化学会化学工程杰出女性科学家奖,2011年琳达·纳萨尔博士被评为加拿大皇家学会会员,2014年入选汤森路透的高引作者。

崔屹,1998年在中国科学技术大学获理学学士学位; 2002年在哈佛大学获得博士学位;2003年-2005年在加州大学伯克利分校从事博士后研究;现任斯坦福大学教授。主要研究纳米材料的设计,合成和性能研究以及应用在能源存储,太阳能电池,催化,水和空气净化; 二位层状材料;拓扑绝缘体;纳米生物学。

张跃钢,研究员。1981年至1989年获得清华大学硕士学位,1996年获得日本东京大学材料科学专业博士。曾于日本电气基础研究所、斯坦福大学、英特尔公司从事科学研究,现任美国劳伦斯-伯克利国家实验室研究员。自中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所申报中组部千人计划,并于2012年2月入选中组部千人计划。

高学平,男,南开大学材料科学与工程学院研究员。长期从事新能源材料与化学电源的基础研究工作。相关研究成果发表SCI摘录论文100余篇,部分成果发表在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Mater.和Adv. Energy Mater.等期刊上。论文共被SCI他人引用9000余次,h指数52。其中,有13篇文章入选ESI近十年高引用论文。连续入选2014和2015年爱思唯尔中国高被引学者,入选上海软科与爱思唯尔于2016年发布的“全球能源科学与工程学科高被引学者”。获2003和2015年度天津市自然科学二等奖,获2005年度国家科技进步二等奖。

王春生,马里兰大学化学和生物分子工程教授。1995年获得浙江大学材料科学与工程博士学位。在2007年加入马里兰大学之前,2003-2007年在田纳西技术大学化学工程系任助理教授,1998-2003年在德克萨斯农机大学的电化学系统和氢研究中心任研究员。他的研究主要集中在二次电池和燃料电池上。

万立骏,物理化学家。1957年7月生,籍贯辽宁大连。曾任中国科学院化学研究所所长,目前仍兼任北京分子科学国家实验室主任,中国科学院分子纳米结构与纳米技术重点实验室主任。现任中国科学技术大学校长。

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