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一文认识锂硫电池用Li2S正极复合材料
2018月02月12日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:1124
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Li2S复合材料作为锂硫电池正极材料,不仅具有较高的理论比容量,还可用高嵌锂能力的碳或硅材料代替金属锂负极,有效避免锂枝晶刺穿隔膜造成的短路现象,成为研究者广泛关注的热点,锂硫电池也被认为是最有前途的新一代电池。目前Li2S复合材料主要分为3类复合材料,分别为:Li2S/金属、Li2S/碳、Li2S/导电聚合物。下面小编就上述三种Li2S复合材料进行简要介绍。

 

一、Li2S/金属复合材料

Li2S/金属复合材料是以Li2SFe粉(摩尔比为12)为原料,采用高能球磨制备正极复合材料。目前加入的金属粉体主要有FeCo 等。

锂硫电池示意图

 

Li2S/金属复合正极材料优点是:复合电极表现出明显的电化学性能优势。

缺点是:在脱锂过程中,金属与其化合物之间不可逆的转化导致了活性物质的损失,同时在电化学循环过程中伴随着极化。

 

二、Li2S/碳复合材料

Li2S/C复合材料不仅可以提高Li2S正极复合材料的电子电导率和电化学活性,还可以减小了多硫化物的溶解。Li2S/C复合材料主要有:Li2S/炭黑复合材料、Li2S/碳纳米管复合材料、Li2S/多孔碳复合材料、Li2S/石墨烯复合材料。

 

1Li2S/炭黑复合材料

Li2S/炭黑复合材料制备方法有高能球磨法和化学气相沉积法。

 

1)高能球磨法

高能球磨法制备Li2S/炭黑复合材料是将Li2S和炭黑(CB),使用吡咯作为黏结剂,在高能球磨机中混合,然后烧结,制备Li2S/炭黑(掺氮碳)核壳结构复合材料。

 

优点是:掺氮碳封装核壳结构的设计对活性物质有很强的束缚作用,极大地提高了其利用率,电池比容量可以达到理论比容量的88%1029mA·h/g),循环 100 次后比容量保持为652mA·h/g

高能球磨法制备核壳结构Li2S/炭黑复合材料示意图

 

2)化学气相沉积法

化学气相沉积法是以炭黑为碳源,通过气相沉积技术在Li2S 粉体(平均粒径为100nm)表面沉积大约 20nm C 层,最终获得纳米结构的Li2S/炭黑复合材料。

 

优点是:纳米结构使得锂离子的扩散距离很短,电子传输迅速,且缓解了多硫化物在充放电过程中的溶解,因此电池具有很高的初始放电比容量(1083.5mA·h/g),循环200次后比容量还能保持为766.3mA·h/g

纳米结构Li2S/炭黑复合材料SEM

 

2Li2S/碳纳米管复合材料

Li2S/碳纳米管复合材料制备工艺是首先将碳纳米管(MWCNTs)在 600℃下去除水分和杂质后,加入硫化锂的无水乙醇溶液中,超声搅拌待溶剂挥发后在 400℃下热处理,Li2S 在分散的过程中沉积在碳纳米管上,制得 Li2S/碳纳米管复合材料。

 

优点是:独特的夹层结构电极不但有利于离子和电子的传输,而且能够有效阻止电极在循环过程中中间产物的流失。

Li2S/碳纳米管复合材料夹层结构电极示意图

 

3Li2S/多孔碳复合材料

Li2S/多孔碳复合材料是以Li2SO4C为原料,通过高能球磨使其在低于Li2SO4熔点(820℃)的温度下发生碳热还原反应,然后与多孔碳复合,制备出的纳米级Li2S/多孔碳复合材料。

纳米级Li2S/多孔碳复合材料SEM

 

Li2S/多孔碳复合材料优点是:充放电过程中产生的聚硫化物束缚在正极材料中,避免其溶于电解液中,减缓穿梭效应,提高了活性物质S的利用率、电池的倍率性能和循环性能。

 

4Li2S/石墨烯复合材料

Li2S/石墨烯复合材料制备方法是把Li2S的无水乙醇溶液滴加到石墨烯片层表面,待溶剂挥发后通过CVD法在Li2S/石墨烯表面沉积C层,得到纳米Li2S/石墨烯复合正极材料,在0.5C倍率下循环700次后比容量为724mA·h/g,容量保持率为97%

Li2S/石墨烯复合材料制备工艺流程

 

Li2S/石墨烯复合材料优点是:具有良好的倍率性能和循环性能。纳米级Li2S在电极结构中能够均匀地分布,避免出现严重的团聚现象。均匀分布及尺寸细小的纳米Li2S能够更好地与电解液接触,在电化学反应中能够被充分活化,其电化学反应面积更大,有助于充放电过程中离子、电子地快速传导。

 

三、Li2S/导电聚合物复合材料

Li2S/导电聚合物复合材料是通过导电聚合物聚吡咯(PPy)对Li2S进行包覆,制备了Li2S/PPy复合材料。

 

Li2S/导电聚合物复合材料优点是:材料导电性能好,PPy较大的比表面积可以吸附放电过程中产生的多硫化物,减少其在电解液中的溶解,从而降低了电池容量的衰减。

 

参考文献:1、姚真东,魏巍,王久林等,锂硫二次电池正极研究进展。

2、杨娟,周向阳,唐晶晶等,一种锂离子电池用硫化锂-多孔碳复合正极材料及制备方法。

 

作者:李波涛

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