硫-锂电池的挑战与前景外文翻译资料

 2022-09-08 13:14:40

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

硫-锂电池的挑战与前景

概要

电能储存是二十一世纪的社会一个最关键的需求。依靠电能存储的应用包括便携式电子设备、电动汽车，以及来自太阳能和风能的可再生能源存储设备。在可再充电电池化学之间锂离子（锂离子）电池具有最高的能量密度。因此，锂离子电池在便携式电子产品市场证明是成功的，将在大规模储能方面发挥重要的作用。在过去的二十年中，锂离子电池基于插入阴极已达成的sim;250 mA h g - 1和800公斤- 1sim;W H能量密度阴极容量，这不符合sim;500公里电动车收费之间的要求。为达到提高能量密度的目标，研究人员正在研究可替代阴极材料，如硫和氧气，它们可以提供超过常规插入阴极容量，如LiCoO 2、LiMn 2 O 4，由一个量级（gt; 1500 mA h G-1）。硫，地球上最丰富的元素之一，是一种电化学活性材料，每个原子最多可以接受两个电子sim;2.1VvsLi/Li 。因此，硫正极材料具有高理论容量约1675 mA h g – 1，锂硫（Li-S）电池的理论能量密度约2600 W hKg-1。与传统的插入阴极材料不同，经过一系列的循环过程，硫的成分和结构发生变化，其中涉及可溶性硫化物和难溶硫化物。因此，研究人员一直在努力与一个稳定的电极结构的维护，活性物质的充分利用，并用好的系统效率维持足够的循环寿命。在过去的十年中虽然研究人员在充电Li-S电池已经取得了重大进展，这些循环寿命和效率问题，阻止其使用在商业细胞。

为了克服这些长期存在的问题，研究人员必须具有良好性能和新的锂硫电池配置的新的硫复合阴极。在这方面，我们首先专注于开发新的复合材料的阴极材料，包括硫-碳和硫的聚合物复合材料，描述了这些新材料的设计原理、结构和性能以及电化学性能。然后我们用碳夹层和锂/溶聚硫细胞的新细胞结构，强调这些方法的潜力提高容量保持率和系统效率。最后，我们对有效的电解质提供了一个简短的调查。该报告总结改进，可以把锂-硫技术接近大规模商业化。

1.简介

锂离子（锂离子）电池的电池市场在上世纪90年代初推出以来，索尼被认为是占主导地位的便携式电子产品，电动汽车和电网储能由于其较高的能量密度，与其他化学电池相比很有前途1-4。插入阴极材料，如LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4，已在过去2年的发展，被广泛应用于目前的锂离子电池。2,5提高锂离子电池的能量密度为了进一步满足所有电动汽车和电网能源储存电荷间约500公里范围的要求，替代阴极在成本、提高能力和能量密度显著减少所需的。硫，是地球上最丰富的元素之一，在固体元素之间是一种正极具有1675 mA h g-1的最高理论容量的元素。从传统的插入阴极移动硫具有许多好处，除了高容量，如低工作电压（2.15VvsLi/Li ）可以提高安全性，低成本的硫替代昂贵的过渡金属钴，和具有一定的毒性的过渡金属化合物相比，硫非常环保。一级能力比常规插入复合阴极可以使能量密度400-600 WH·kg－1包装锂硫（Li-S）细胞，这比目前的锂离子电池高出两到三倍，可以满足500公里范围内的目标。6低成本和高能量密度也吸引人如太阳能、风能等可再生能源的并网发电，如太阳能、风能等可再生能源，可以实现太阳能、风能等可再生能源的高效节能。

传统的锂电池是由锂金属阳极、有机液体电解质、硫复合正极组成的（图1A）。对Li-S电池的充电能力有几个主要问题阻止了他们的实际应用。6,7硫在多原子分子的形成具有不同的结构，八硫（cyclo-S8）在室温下是最稳定的同素异形体。在充放电过程中cyclo-S8经过一系列的形态和结构的变化,涉及水溶性锂的多硫化物Li2Sx(8le;Xle;3)的形成和不溶性硫化物Li2S2 / Li2S在液体电解质中（figure1b）。硫和中间体的高电阻和它们的结构变化导致硫电极内的电化学接触不稳定。此外，溶解的硫化物在充电过程中穿梭在阳极和阴极之间，涉及与锂阳极的副反应及与阴极在氧化反应。8这些问题导致了活性物质的利用率低，循环寿命差，系统效率低。显然，这是不可能达到与传统锂电池电极配方组成的微米大小的活性材料，碳，和聚合物粘结剂的所有要求（figure1a）。已发展了多种方法来形成具有良好的结构和性能的硫复合材料来提高比容量、循环性能、库仑效率。6其他被使用的方法包括捕获夹层新的细胞结构，锂硫电池的电解质溶解、高效的电解质。9-1

图1（a）中充电（红色）/放电（黑色）过程包括可充电锂电池所组成的锂金属阳极，有机电解质和硫复合电极和（b）充放电过程中涉及的水溶性锂的多硫化物的形成（Li2S8，Li2S6，Li2S4，Li2S3）以及不溶性的Li2S2/Li2S。

2.硫-碳复合阴极

2.1．多孔碳基复合材料

为了提高Li-S电池电化学性能，一直在进行基于碳-硫复合材料的开放工作。随着对高度有序的介孔碳硫2009大容量锂电池的报道，硫-碳复合正极材料的研究发展非常迅速。13一个理想的硫碳复合材料形成碳矩阵需要:（i）高导电性;（ii）硫电化学亲和力;（iii）没有大的网点容纳多硫化物的小细胞（孔）;（iv）液体电解质活性物质的可访问性;及（v）在循环过程中的维持活性物质的体积变化产生的应变稳定框架。硫碳复合材料的研究进展，得益于它们的分层设计（图2）。用微孔碳球可以封装硫（图2a），但总的孔体积需要增加从而提高硫的负荷。14作为基质，球形有序介孔碳有大量的内部孔隙，这是一个很突出的特点，可以容纳更多的硫而不影响电池性能（图2b）。15多孔中空碳硫复合材料的循环次数可以达到100次以上，相当令人震惊（图2C）。16氧化石墨烯也已经开始使用（图2d），但石墨烯复合硫可能需要进一步处理固定中间多硫化物。17,18多孔碳纳米纤维和中空碳纳米纤维和纳米管带有的浸渍硫也是很好的底物（图2e，f）。19-21虽然这些碳基硫复合材料在锂硫电池中显示出突出的性能，但高活性物质载（gt; 70 wt%），比容量高（gt; 1200 mA h g - 1），优异的循环稳定性和寿命（＜10%的容量损失超过100个周期）这些特点不能由任何单一的复合材料同时获得。

图2 碳基硫复合材料的分层设计：（a）微孔碳球，（b）球形有序介孔碳纳米颗粒，（c）多孔空心碳，（d）氧化石墨烯片，（e）多孔碳纳米纤维，（f）中空碳纳米纤维包裹硫，a和e是经许可从参考文献14和19转载，版权2010和2011皇家化学学会。b和c是经许可从参考文献15和16转载，版权2012和2011威利，d和f是经许可从参考文献17和20转载，版权所有2011美国化学学会。

表1：合成碳-硫复合正极材料的合成路线综述

方法

描述

硫和碳的结合

特征

参考文献

混合

磁力搅拌混合材料

弱

24

球磨

带粘合剂的球磨材料

中

高能球磨

22

热处理

一步加热：155℃

二步加热：150-200℃; 300-350 ℃

强

强

对介孔碳有利

第二步除去表面的硫

13,17

18,25,26

非均匀性核

硫汽化

Sx2- 2H →(x-1)Sdarr; H2S

SO2 2S2- 4H →3Sdarr; 2H2O

S2O32- 2H →Sdarr; H2SO3

非常强

强

强

强

分子浸润

产生H2S危险气体

涉及最少的化学品

16

19，28

29

30

2.2．不同方法合成的复合材料

在传统上，球磨或混合硫粉和碳材料已被使用作硫电极。22-24硫和碳之间接触不良，会导致初始放电容量降低（例如，300-500毫安时），因此，改进了制备硫炭复合材料的工艺（表1）。例如，wang等人提出了一个两步熔硫的方法，25在200°C熔融硫磺，可以使其扩散到活性炭的孔隙，再进行一次300°C高温射击，这样可以

蒸发硫覆盖活性炭的外表面。利用该复合材料，放电容量高达800毫安，首次实现高容量放电；该加热过程在制备过程中已进一步被使用，通过改善温度和稍改性温度以及停留时间，结合不同的碳材料，以获得高性能硫碳复合材料。18,26在合成过程中，有了介孔碳的一步硫的熔融路线，就不需要进一步的热处理，相互连接的孔隙结构就可以有效地吸收熔融硫。13,27jayaprakash等人16将气态硫注入硫在蒸发过程中形成的多孔中空碳中，以此获得具有优异循环性能的硫蒸气，从而使碳骨架的分子更好地接触。在水溶液中合成碳矩阵中的非均匀硫核，是一种有利的方法，因为这样可以彻底清除有毒溶剂，也使得制备基础成本降低。向硫化钠（Na2S）等多硫化物溶液中滴入酸，可以使硫分离出来附在碳基片的表面上，从而完成提取硫的过程。19,28另一种方法通过混合硫酸钠、硫化钠和酸性液体，也可以制成以碳为核、硫为壳的新型复合材料。29原位硫沉积的路线也被发展成合成碳包裹硫的新型材料。30由于硫代硫酸根离子的减少或硫离子被氧化成硫，在水溶液中高纯度的硫容易附在高度分散的碳纳米粒子的表面上。这些合成方法涉及一个简单的硫和碳强烈结合的水性反应，同时，这种反应适用于任何碳基。

图3无粘结剂阴极的比较：碳基复合阴极，经许可从参考文献32中转载，版权所有2011威利，（b）自织硫-碳纳米管复合阴极

2.3．无粘结复合电极

为了发展绿色工艺，我们呼吁避免制造有毒化学品的电池电极。虽然N-甲基吡咯烷酮（NMP）是一种通常用于制造锂离子电池电极活性材料的聚合物粘结剂和分散的溶剂。然而，NMP对人类的健康和环境是有危害的。31一种有效的方法是制作无粘结电极，这样可避免使用NMP。通过除去粘合剂，也可以提高活性材料负载和增大电极的导电性。图3显示的是已开发的用于制备无粘结剂硫复合阴极的方法（图3）。Aurbach等人32<!--

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[146226]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章