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锂硫电池用纳米金属氧化物和硫化物

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-05-13 0:05:24 * 浏览: 3
电动汽车,无人驾驶飞机,卫星和其他储能区域在极端条件下已实现正常运行。这是因为其能量密度是传统锂离子电池的5倍,而且成本较低。近日,武汉理工大学麦立强教授和清华大学张强副教授(共同作者)共同在国际高级杂志上发表了一篇题为“锂硫电池的纳米结构金属氧化物和硫化物”的评论文章。材料。这篇综述详细介绍了有关用于提高硫利用率和电池寿命的纳米结构金属氧化物和硫化物的最新文献,并讨论了金属氧化物/硫化物主体材料以及上述材料在固体硫中的内部特性和电化学性能阴极的使用,隔板或隔板,锂金属阳极保护和多硫化锂电池终于对锂硫电池的未来发展寄予了期望。 1.纳米结构的金属氧化物包含一个氧阴离子(O2-),通常具有强极化的表面。由于其在氧和金属之间的强粘附力,金属氧化物不溶于大多数有机溶液。在锂硫电池非导电极性氧化物的早期研究中,通常会对其纳米结构的碳/硫氧化物阴极进行改性。因此,非导电氧化物的纳米结构以添加剂(lt,10wt%)的形式直接添加。与碳纳米材料相比,金属氧化物提供了足够的极化活性中心来吸收多硫化物。由于其固有的缺陷和独特的能带结构,某些金属氧化物甚至具有良好的导电性,因此某些金属氧化物可用作锂硫电池的导电基材。 a)基于嵌入反应(左)和转化反应(右)的锂离子电池,b)不同状态下不同硫含量的样品的理想充放电曲线,c)多硫化物1.1TiO2 TiO2的溶解和穿梭效应为分为锐钛矿型(α-TiO2),金红石型(β-TiO2),板钛矿型(γ-TiO2)和青铜B型(BronzeB),具有0D,1D,2D,3D纳米结构,已在涂料,防晒剂,光催化中材料,光伏装置,传感器锂离子电池,生物医学装置等已被广泛使用。基于缺陷TiO2的多硫化物可以有效地在硫阴极中冷凝硫。 Ti4O7具有硫亲和力和金属性,因此在锂硫电池中有许多功能用途。 1.2MnO2棕色MnO2是锰矿的主要来源,有α,β,γ,δ-MnO-2四个相。 MnO-2已广泛用于碱性电池和锌碳电池。 1.3引入纳米结构氧化物作为隔离膜选择性渗透性隔离膜和隔离膜大大改善了锂硫电池的储存性能。固体电解质的使用可以阻止多硫化物并减少锂阳极中的寄生效应。纳米结构的氧化物可以是隔板的一部分,或者可以修复隔板,以延迟多硫化物的穿梭作用并增强电池的电化学性能。 2.硫化物作为锂硫电池正极金属硫化物的主体材料,自然界广泛存在。黄铁矿是金属二硫化物的主要形式,它包含金属和离散S22单体的无限三维网络。金属硫化物由于其强的硫亲合力和低的锂电压,可以避免在锂硫电池的工作窗口中重叠。与金属氧化物相比,有许多金属硫属化物金属或半金属相。纳米结构的金属硫化物也需要高电导率,因此许多类型的金属硫化物也可用于锂硫电池。 3.在相关的锂硫系统中使用氧化物和硫化物随着固态硫阴极的蓬勃发展,许多基于多电子锂硫氧化还原对的新系统应运而生,例如:Li / PS电池,Li2S正极基锂硫电池。与传统的锂硫电池相比,传统的多孔膜无法阻挡可溶性多硫化物进入电极,因此仍需要开发和使用多功能膜。多硫化物的穿梭效应无法避免,但可以减慢其速度,这驱使我们使用可溶性聚直接在有机溶剂中硫化。锂阳极的研究进展缓慢,在短时间内应用锂硫电池是不现实的。硫化锂已被用作阴极材料,它可以与其他成熟的阳极技术(例如纳米硅阳极)结合使用。 4.合理设计锂硫电池极化基板的一般原则。金属氧化物和硫化物是典型的极化基材,可以有效地固定锂硫电池中的多硫化物。然而,成千上万的金属氧化物和硫化物具有不同的纳米结构和暴露的表面,在这些表面上,锂硫系统中发生了电化学转化过程。因此,有必要合理设计氧/硫化物体。 [概述与展望]影响锂硫电池材料性能与性能之间关系的一些因素可归纳为:1)多硫化物的吸收能力,2)本征材料或复合材料的电导率,3)多硫化锂Li2Sx ,x大于或等于4且小于或等于8)和硫化锂/二硫化锂的催化能力,4)纳米结构,3D形态和确定表面积的暴露活性位。纳米结构的氧/硫化物化合物具有复合电极所需的高硫利用率和长循环寿命。但是,在许多可能的材料中,选择一种是巨大的挑战。与传统的实验和误差方法相比,新的表征方法可以加快该过程并节省大量时间和成本。此外,有必要建立理论方法来探索,预测和指导锂硫电池的未来发展。从性别原理的角度来看,主体材料与多硫化锂,硫化锂或二硫化锂之间的结合能起着重要的作用,费米能级附近的部分波态密度是材料理论电导率的指标。 。在锂硫电池的实际应用中,应仔细考虑多种因素作为整体解决方案。除此之外,还应克服这些先进材料的缺点,例如低硫面积负荷,较大的电解质体积/硫比和较低的体积能量密度。但是,仍然很难用氧/硫化物添加剂形成高硫负载的阴极。纳米结构工程或导电碳复合可能是合理的解决方案,前者有时可以减缓体积变化。多硫化物的溶解以及伴随的穿梭效应与电解质高度相关。利用固态硫阴极的关键缺陷,开发了一种硫氧化还原液电池。非溶液型室温离子液体是一种折衷方法,因为当Li +扩散系数太低时,离子液体会抑制多硫化物的溶解性。今后,相关的阴极研究应集中在不同基质材料(包括原料或掺杂碳,导电聚合物和3D无机复合材料等)中可溶性多硫化物和不溶性硫化物/二硫化物的转化机理上。一些材料可以提供电催化作用,以调节多硫化物的氧化还原反应。人们希望锂硫电池的成就能够指导其他相关领域,例如锂硒电池,锂/多硫化物氧化还原等。