Small Methods:基于结构调控和表界面化学的锂硫电池载体材料综述

能源短缺和环境污染是人类社会面临的重大挑战。大量化石燃料的消耗和温室气体的排放导致了全球变暖和生态破坏。解决这些能源和环境问题有赖于新能源技术的发展,可充电电池是存储和使用新能源的重要手段之一。但是,目前可充电电池的比能量、循环寿命、成本等经济技术指标还不能很好地满足电子产品、电动汽车、电网储能等应用途径的要求。目前广泛使用的锂离子电池正在逼近其理论比能量,开发具有高比能量、长循环寿命和低成本的新型储能器件成为迫切需求。

在众多新型可充电电池中,锂硫电池具有很高的理论比容量,且其正极材料硫的来源丰富、价格便宜、环境友好,具有很好的应用前景。硫与锂离子反应可以存储的比容量高达1675 mAh/g,使得锂硫电池的理论比能量高达2500 Wh/kg,是目前使用的锂离子电池的数倍至十倍。但是,锂硫电池存在着许多问题限制了其商业化应用,主要有四个方面:1、单质硫及其放电终产物硫化锂(Li2S)的导电性很差,导致活性物质利用率较低以及动力学性能较差;2、充放电过程中产生的多硫化锂在醚类电解液终溶解度较大,会迁移至负极表面并发生自放电反应,导致较低的库伦效率;3、多硫化锂可与金属锂负极反应生成硫化锂并沉积在其表面,导致活性物质的损失以及负极性能的恶化;4、硫在充放电过程中的体积变化较大,可损坏正极的结构稳定性。近年来,锂硫电池正极材料一直是研究的热点,各种材料体系的合成与结构设计不断涌现,电化学反应机理也得到了更进一步的认识。

近日,德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华课题组应邀在Small Methods上发表了基于结构调控和表界面化学的锂硫电池载体材料的综述文章,系统阐述了锂硫电池载体材料的结构调控以及表界面化学性质对锂硫电池性能的影响。该综述围绕载体材料的结构设计和表界面化学,重点分析了碳材料、聚合物、金属氧化物以及其他载体材料的结构和表面性质对锂硫电池四个主要缺点的改善作用。在结构设计方面,文章将载体材料分为零维、一维、二维和三维结构,回顾了近年来这些载体材料的设计思路,分析结构设计对硫的导电性的提升作用以及对多硫化锂的限制效应。在表界面化学方面,文章着重阐述了多硫化锂与载体材料的相互作用机理:分析了碳载体材料的掺杂原子、官能团和修饰物对多硫化锂的化学吸附作用;总结了含硫导电及非导电有机材料中硫的化学键合与断裂机制;回顾了氧化物材料表面在硫的充放电过程中可能的作用机制。该论文还回顾了基于金属有机框架化合物(MOF),金属硫化物、碳化物、磷化物、氮化物等作为硫的新型载体材料的研究进展。

综述中,作者认为载体材料的选择和结构设计是提高硫电极的电子和锂离子的导电性的基础,构筑适当的结构也可在一定程度上限制多硫化锂的溶解与迁移。同时,与多硫化锂能形成较强化学键合作用的载体材料的表面设计在也十分重要。因此,合理的结构设计、较高的导电性、对多硫化锂较强的吸附能力,是提高锂硫电池比容量、长循环稳定性、库伦效率及倍率性能的关键。作者也指出由于硫的充放电反应过程十分复杂,当前对锂硫电池的界面化学的理解尚不充分,多硫化锂与金属氧化物载体的相互作用以及可能存在的催化机制尚需进一步的理论和实验研究。此外,电极中硫的含量和负载量以及电解液用量等问题直接关系到锂硫电池的实际比能量,也是在应用研究时需要关注的重要指标。

Speak Your Mind

*