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1、 报告人：陈平平 基于碳硫复合材料在锂硫电池正极中的研究 录目 绪论 研究方法 与思路 研究小结 改进方案 研究背景 研究意义 国内外研究情况 研究可行性 研究目的与方案 研究背景 锂硫电池因具有较高的理论比容量，比能量而成 为目前最具开发前景的二次电池体系之一。 锂硫 电池 高比容量 高比能量密度 01 LOREM IPSUM LOREM IPSUM 锂硫电池的优势和挑战 锂硫电池 环境友好 成本低 高比能量 2600 Wh kg-1 正极采用硫 硫的导电性差 Sx2-的穿梭 电极结构变化 锂负极副反应问题 锂负极的枝晶问题 电解液的稳定性 研究背景 研究背景 研究背景 锂硫电池正极反应的基
2、本原理 Step i: Step ii: Step iii: Anode: Cathode: side reactions Stepi 生成的长链多硫化物易溶电解液造成的“穿 梭效应”和 stepii 生成导电性差的终极产物是造 成容量损失的主要原因。 研究意义 锂离子电池是目前商业化二次电池中性能最好的电池体系，但由于其主 要使用 Li Fe O4、Li Co O2和 Li Ni1/3Co1/3Mn1/3O2等作为正极材料，这 些正极材料的理论容量一般不超过 300m Ahg-1，难以满足目前对于高 比能量电池的需求，因此高理论比容量的锂硫电池正极材料成为当今研 究的重点。 单质硫在常温下主
3、要以 S8的形式存在，在地球中储量丰富，具有价格低 廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比 容量和电池理论比能量较高，分别达到 1672m Ahg-1和 2600Whkg-1 ，目前锂硫电池的实际能量密度已达到 390Whkg-1，预计在今后几年 内极有可能提高到 600Whkg-1，被认为是现在最具研究价值和应用前 景的锂二次电池体系之一。 参考文献： J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1294612953 Nano Lett. 2015, 15, 798802 Nano Lett. 2014, 14, 48214827 Adv. Funct.
4、 Mater. 2015, 25, 287297 Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3591 3595 由于电池正极体积膨胀、单质硫及其不溶性产物 Li2S2 和 Li2S导电性低、多硫 化物穿梭严重导致缩短电池寿命，成为目前重点解决的问题。 目前研究通过将活性物质硫与多孔碳、纳米碳纤维（CNF）、多壁碳纳米管 （MWCNTs）、石墨烯、导电聚合物、金属氧化物等具有特定结构的基质材 料制备硫基复合正极材料，可以显著改善锂硫电池的循环性能和倍率性能。 材料优优缺点 优点 缺点 多孔碳材料导电性良好，便宜，载硫 量高 物理吸附，非极性不能很好 抑制极性多硫化物 金属氧
5、化物通过化学键抑制多硫化物导电性差 导电聚合物导电聚合物的骨架结构可 为硫正极提供很好的导电 网络 吸附多硫离子作用极其有限 石墨烯导电性好，载硫量高，丰 富功能基团抑制多硫化物 石墨烯不能大量生产 国内外研究情况 微孔碳材料 guo,et al. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 1851018513W. Zhang et al. Electrochimica Acta 87 (2013) 497 502 优势：在充放 电过程中能够 保持极高的库 伦效率以及长 周期的循环稳 定性。 缺点：载硫量 低硫含量较低( 40% ) ，电子 离子传输通道 受限 孔径：2-0.5
6、nm 国内外的 研究情况 介孔碳材料 国内外的 研究情况 国内外的 研究情况 Nazer, et al.Nature Materials，2009，8( 6) : 500-506 介孔储硫的主要优势在于其可以明显提高硫的负载量及拥有发达的离子通 道，对发挥锂硫电池高能量密度的优势。 Cuiwen Li, et alACS Applied Materials Interfaces，2013，5( 6) : 2208-2213 多孔碳材料 国内外的 研究情况 Xiaogang Zhang et al，ACS Applied Materials Interfaces，2014，6( 1) : 194
7、-199 多孔材料： 优点：微孔、介孔、 大孔相互贯通，微孔提 供电化学反应界面,维 持容量、介孔提供扩散 通道、有利于提高初始 容量，大孔提供活性反 应物储存空间，则有望 实现硫在多孔碳上的进 一步高效利用。 缺点：紧靠物理抑制 多硫化物溶解穿梭有 限。 Liang et al,Chem. Mater., Vol. 21, No. 19, 2009 S: 84 wt % 58.8 wt % O.5C 氮掺杂碳硫复合材料 国内外的 研究情况 Donghai Wang，et al，Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 12431250 Donghai Wang et al ,
8、Angew. Chem. 2015, 127, 1 6 验证了含氮官能团的引 入能够有化学效束缚多 硫化物的迁移 Donghui Long et al,ACS Applied M aterials Interfaces，2013，5( 12) : 5630-5638 前驱体：三聚氰胺、酚醛树脂, 致孔剂：si02 多孔碳杂化材料 国内外的 研究情况 Qiang Zhang et al , Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2772 2781 多孔炭具有丰富的孔道 结构和大的比表面积。 让其与不同种类基体材 料的高效杂化，充分发 挥多孔碳质材料在锂硫 电池的优势。 其他体
9、系，石墨烯-介 孔碳复合材料、石墨烯 -多孔炭、碳纳米管-微 孔炭、石 墨 烯-纳 米 纤 维、金属氧化物-多 孔 碳纤维等通过碳结 构杂化进一步提升其对 穿梭效应的控制，实现 硫材料的高效利用。 研究方法 与思路 研究目的 寻找简单、便宜掺杂型多孔碳材料作为碳硫复合基体 在保证硫含量同时提高锂硫电池正极的循环寿命和倍率性能 vigorous stirringevaporation 600-900 doped carbon removal of templates 实验方案 研究方法 与思路 1、基体制备备 材料的比 表面积与 孔径分布 分析 材料的物 相分析 材料的形 貌分析 材料的热 重分析 2、基体物理表征 研究方法 与思路 SEM 可行性探究 研究方法 与思路 ab 电压-容量曲线 循环寿命及库伦效率曲线 S 含量70 % 研究方法 与思路 研究小结 从该碳材料多孔形貌，以及在含70%硫 的情况下表现的电化学性能，该碳材料作 为基体具有一定的研究价值，后期主要以 提高循环寿命为主要探究对象对其进行进 一步完善。
