《锂硫电池载体选择—小孔大世界》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锂硫电池载体选择—小孔大世界（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、锂硫电池载体选择小孔大世界-双人鱼电池涉及到我们生活的方方面面，包括手机、电脑、电动车等等。目前使用最为广泛的当属锂离子电池。但是，基于锂离子电池材料理论值的限制，其能量密度的提升接近于极限。而锂硫电池，其理论能量密度高达 1672mAh/g，功率密度高达 2600wh/Kg，很有可能成为新一代广泛使用的电化学储能装置。因此，近年来，对锂硫电池的研究也进入到了白热化状态。图 1 锂硫电池充放电过程但是，在锂硫电池中，活性物质的绝缘性、充放电过程中中间产物的溶解性以及充放电产物的体积变化这三座大山极大的限制了锂硫电池的商业化应用。因此，为解决以上三大问题，在电池正极加入导电载体是一个常用又非常有
2、效的方法。其中最常用的导电载体当属碳材料。碳材料，质量轻、导电性好、价格便宜且各方面物理性质易于控制，可以算作是锂硫电池中的明星材料。通过不同的制备条件，各种各样的碳材料广泛应用于锂硫电池中，包括最为常见的石墨烯、碳纳米管、碳纤维、多孔碳、中孔炭等等。而不同的碳材料，其比表面积、孔隙率、导电性等物理性质也存在着差异，因此，应用于锂硫电池中其电化学性能也有重要的影响。今天就跟着笔者了解一下碳材料的比表面积、孔体积以及孔大小对锂硫电池性能的影响吧！美国康奈尔大学的 Giannelis 组设计四组具有不同比表面积、孔体积、孔大小的碳材料用以研究这些物理性质对锂硫电池性能的影响。1、小比表面积（500
3、100m 2/g）小孔体积（0.62.1cm 3/g）多为介孔材料；2、高比表面积（18002800m 2/g）中孔体积（2.22.8cm 3/g）多为微孔和小介孔材料；3、中比表面积（12001400m 2/g）大孔体积（2.75cm 3/g）多为介孔材料；4、高比表面积（19002300m 2/g）大孔体积（3.54.8cm 3/g）多为微孔和小介孔材料。具体参数如下表所示：将具有不同物理性质的碳材料负载活性物质 S（80wt% ）组装为电池，测试其比能量值，结果如下图：其中黑色为组 1、蓝色为组 2、红色为组 3、绿色为组 4，通过途中我们可以看出组 3 和组 4 相对来说具有最高的比电
4、容值，而组 1 性能最差。联系四组材料的物理参数我们可以知道组 1 性能不好是基于材料具有最低的比表面积和最小的孔体积，而组 3 和组 4 性能好则是基于这两组材料具有一个共同的特点大孔体积。同时，通过图 a 我们可以看出当材料的比表面积达到 1200m2/g 左右时，其比电容值趋近于平稳，换句话说，当材料的比表面积大于 1200m2/g 后，材料的比表面积对锂硫电池性能的影响较小，因此即使组 3（12001400m 2/g）相较于组 4（19002300m 2/g）具有较小的比表面积，其电池性能与组 4 不相上下。通过图 b 我们可以看出，当孔体积增加时，其比电容值呈上升趋势，也就是说，材料
5、的孔体积对电池性能的提升有重要的影响。所以说，组3（2.75cm 3/g）和组 4（ 3.54.8cm3/g）即使具有不同的比表面积，但具有较为相近孔体积，孔体积的增大能够提高 S 的利用率，因此都能得到较高的比电容性能。通过图 c，孔大小的比较我们可以看出，孔大小对电池的比电容性能并没有明显的影响趋势。由此，可以得出结论，在高负载的锂硫电池中，载体材料的孔体积对电池电容性能具有更为重要的影响。此外，Giannelis 等人还发现用这一系列的碳材料做载体，其循环性能并不能得到很好的提升（200300 圈） ，Giannelis 等人将其归因于放电产物 Li2S 的产生和累积以及电解液添加剂 L
6、iNO3 的消耗。Li 2S 的不导电性会影响充放电过程中的电子迁移，从而导致电容量的衰减。而 LiNO3 作为添加剂有利于在 Li 片表面形成致密的 SEI 膜，抑制多硫化物与 Li 发生反应，因此 LiNO3 的消耗也会影响电池性能。以上为 Giannelis 等人工作的简单介绍，此外，笔者有话要说。当然，不可否定的是 Giannelis 等人的这篇工作是非常有意义的，但是，对于孔隙结构的研究作者可能还是不够深入，材料中存在的孔包括开孔和闭孔，两者对活性物质的附着力其实并不相同，因此所表现出来的电池电化学性能也会有所不同。而且，开孔的大小可能对初始比电容值的影响并不是很大，但是对电池的循环
7、寿命应该会有很重要的影响。毕竟大孔材料有利于 Li+的扩散，有益于电池的高倍率充放电，但是，大孔也意味着活性物质与电解液具有较大的接触面积，因此会促进多硫化物的溶解，引起容量的衰减，导致循环寿命的降低。也就是说孔大小可能对容量性能影响不大，但是会对电池的循环性能和倍率性能有影响。最后对于循环性能的研究，Giannelis 等人指出的原因无可厚非是导致电池容量衰减的重要原因，但是笔者认为更重要的原因还是来自于材料本身。碳材料属于非极性材料，而多硫化物属于极性材料，极性材料对非极性材料的锚定其本身更倾向于分子间作用力，这种作用力很微弱，不足以抑制多硫化物的溶解，因此，材料的循环性能不好也属正常现象
8、。以上仅为笔者个人见解，才疏学浅，如有谬误欢迎指出并讨论。谢谢！参考目录：（1）Seh Z W, Sun Y, Zhang Q, et al. Designing high-energy lithium-sulfur batteriesJ. Chemical Society Reviews, 2016, 45(20): 5605-5634.（2）Zhou G, Paek E, Hwang G S, et al. Long-life Li/polysulphide batteries with high sulphur loading enabled by lightweight three-d
9、imensional nitrogen/sulphur-codoped graphene spongeJ. Nature communications, 2015, 6.（3）Sahore R, Levin B D A, Pan M, et al. Design Principles for Optimum Performance of Porous Carbons in LithiumSulfur BatteriesJ. Advanced Energy Materials, 2016.（4）Zhou J, Li R, Fan X, et al. Rational design of a metalorganic framework host for sulfur storage in fast, long-cycle Li-S batteriesJ. Energy & Environmental Science, 2014, 7(8): 2715-2724.
