锂离子电池研究现状.doc

锂硫电池的研究现状 近年来，随着不可再生资源的逐渐减少，清洁能源的利用逐渐得到重视，而电池作为储能装置也受到越来越多的考验。锂硫电池与传统的锂离子电池相比，优势主要在于硫的高比容量，单质硫的理论比容量为1600mAh/g ，理论比能量2600Wh/kg。并且硫是一种廉价且无毒的原材料。而与此同时，硫作为锂电池的正极材料也存在着诸多问题[1]： 1、单质硫以及最终放电产物都是绝缘的，如果与正极中掺入的导电物质结合不好，就会导致活性物质不能参与反应而失效； 2、单质硫在反应过程中会生成长链的聚硫化物离子Sn2-，这种离子容易溶解在电解液中，并与锂负极反应，产生“穿梭效应”，引起自放电并使库伦效率降低； 3、在每次放电过程结束之后，都会有一些Li2S2/Li2S沉淀在正极上，并且这些不溶物随着循环次数的增加，在正极表面发生团聚，并且正极结构也会发生变化，导致这部分活性物质不能参与电化学反应而失效，并且使电池的内阻增加； 4、硫正极随充放电的进行会产生约22%的体积变化，从而导致电池物理结构破坏而失效。 针对硫作为正极材料的种种弊端，研究者们分别采用了多种方法予以解决，其中将硫与碳材料复合的研究较多。针对几种典型方法，分别举例介绍如下： 一、石墨烯-硫复合材料 Wang等人采用石墨烯包覆硫颗粒的方法制作复合材料电极[2]。如图1所示，他们首先采用化学方法制备了硫单质，并利用一种特殊的表面活性剂Triton X-100在硫颗粒的表面修饰了一些PEG高分子，然后再用导电炭黑和石墨烯的分散液对硫颗粒进行包覆。这种方法的优点在于：首先，石墨烯和导电炭黑具有优异的导电性能，可以克服硫以及硫反应产物绝缘的问题；第二，导电炭黑、石墨烯和PEG高分子对硫颗粒进行了包覆，可以解决硫在电解液中溶出的问题；第三，PEG高分子具有一定的弹性，可以在一定程度上缓解体积变化带来的影响。 二、碳纳米管-硫复合材料 Zheng等人用AAO做模板制备了碳纳米管阵列[3]，随后将硫加热使其浸入到碳纳米管中间，然后将AAO模板去掉，得到碳纳米管-硫复合材料，如图2所示。这种方法的优点在于碳纳米管的比表面积大，有利于硫化锂的沉积。并且长径比较大，可以较好地将硫限制在管内，防止其溶解在电解液中。碳纳米管的导电性好管壁又很薄，有利于离子导通和电子传输。同时，因为制备过程中先沉积硫，后去除模板，这样有利于使硫沉积到碳管内，减少硫在管外的残留，从而防止这部分硫的溶解。 第 2 页 （共 6 页） 图1 石墨烯-硫复合材料的制备过程[5] 图2 碳纳米管-硫复合材料的制备[5] 三、多空碳-硫复合材料 Jayaprakash等人用二氧化硅做模板制备了多孔碳结构，随后用HF酸将模板腐蚀掉，再用气相注入的方法将硫注入到多孔碳结构中，从而得到了多孔碳-硫复合材料[4]。这种复合材料的优点在于：1.表面积大—硫沉积量大；多孔碳结构限制硫/多硫化物溶解，限制“穿梭效应”；2.石墨晶型的碳使硫沉积更稳定；电子导通更好—高电流密度稳定性好。并且随石墨态碳的含量增加，性能提高；3.大的孔结构利于锂离子和电解液导通。 第 3 页 （共 6 页） 大多数文献中硫的注入采用的都是液相注入的方法，而这篇文献采用了气相注入的方法，这种方法可以产生小分子的硫，其氧化还原过程与大分子硫有所不同。 四、硫-聚噻吩复合材料 针对锂硫电池所存在的问题，很多研究者采用导电聚合物包覆的方法来解决。例如Wu等人，就是利用化学方法，在硫单质颗粒表面包覆了一层导电聚合物——聚噻吩。这种聚合物既可以将硫限制在壳结构里面，同时又可以对离子和电子进行导通，同时，又可以吸附溶解在电解液中的硫已经硫化锂，从而改善了锂硫电池的循环性能[5]。 图3 壳-核结构的聚噻吩-硫复合材料循环性能以及制备过程[5] 五、固态电解质 锂硫电池存在的最大问题便是硫在电解液中溶出的问题，那么如果采用固态的电解质作为替代品取代锂硫电池中的液态电解液，那么硫溶出的问题便迎刃而解了。基于这种思路，Hassoun等人制备了一种薄膜状的固态电解质，用以代替传统的液体电解液，使锂硫电池的循环性能得到了较为明显的提高，但是倍率性