各种材料的SEM图
对MWCNT进行表面处理改善S 与MWCNT的接触，进而提高 复合材料中活性物质的利用率 和提高导电性。
Chen et al, Electrochimica Acta 55 (2019) 8062 –8066
S/MWCNT复合正极材料
Nano S + AC
1150mAh g -1 1270mAh g -1
MWCNT 担载硫复合材料为正极的电池初始性能和循环性能均优于纳米 S和活性 碳混合，而且显 结构， HNO 3处理后的碳纳米管为硫提供更多吸附位，降低了多硫离子的溶解。
高孔率碳-硫复合正极材料
TEM of HPC
PAN与碳酸钠750℃高温 下得到高孔率碳HPC
Seminar II
锂硫电池正极的研究
报告内容
? 研究背景
? 高比能量电池的需求 ? 锂硫电池基本原理 ? 锂硫电池的优点及存在的问题
? 锂硫电池正极的研究进展
? 硫/碳材料复合电极 ? 硫/导电聚合物复合电极 ? 新结构体系中的正极材料
? 锂硫电池及其正极的展望
高能电池的需求
CO2排放
零排放
污染物排 放
? Discharge and charge: 0.1C (0.4mA/cm2) Cutoff voltage: 1.7V, 2.5V
Ultilization of S: 1st cycle: 50% (710 mAh/g) 50th cycle :16% (230 mAh/g) S loss was seen clearly
无明显变化
HPC+57 wt% S
HPC
24.4 m 2/g
TEM of HPC
1473.2 m 2/g
多孔碳出现碎片
HPC+75 wt% S
Lai et al, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4712 –4716
高孔率碳-硫复合正极材料
? 复合材料具有很好的循环性能，静置 3天后容 量反而略有上升，自放电比较小。 ? 硫元素被包覆在高孔率碳的微孔内，大比表面 积提供了足够的吸附位，限制了多硫离子的溶解 和流失，循环性能优异
? 新结构体系的正极材料
S/MWCNT复合正极材料
S
Nano S
MWCNT
S/MWCNT
? MWCNT采用浓HNO3处理 增加表面官能团，提高硫与 MWCNT的接触 ? 采用溶剂交换法制备纳米硫 和MWCNT担载纳米硫 ? 纳米硫的粒径50-100 nm
? S/MWCNT中硫的粒径40 nm 左右
硫担量为 18.7时，复合材料的结构和元素分布图 硫担量小于 37.1 wt. % 时，绝大部分的 S吸附 在微孔中，介孔的孔容变化不大
EV
续航能力有限
现有的锂离子电池受正极材料的限制，电池的 能量密度很难有大的突破，而锂硫电池以 S为 正极，理论能量密度可达2600 Wh/kg 。
另外，电子产品的飞速发展，对高能电池的需求也 日益增长，开发高比能量电池具有很好的应用前景
电池 容量
能量 密度
进一步 提高
锂硫电池的基本原理
e
-
e +
900 mAh g -1
S/MWCNT
1330mAh g -1 1380mAh g -1
1210 mAh g -1
Nano S + AC S/MWCNT
电池首循环放电曲线 a 100 mA g -1, b 200 mA g -1, c 300 mA g -1
电池循环性能曲线 a 100 mA g -1, b 200 mA g -1, c 300 mA g -1
Li + S Li 2Sx
Charge
ii
iii
i
Discharge
Li anode
S cathode
Anode: 16 Li ? ?Di ? /?Chs?ch 16 Li ? ? 16e? Step i: S8 ? 4Li? ? 4e? ? 2Li2S4
Step ii: 4Li2S2 ? 8Li? ? 8e? ? 8L 2S
50th cycle
J. Electrochem. Soc., 151 (12) A2067-A2073 (2019)
1st cycle
锂硫电池复合正极材料
? 硫碳复合材料
? 硫-碳纳米管复合正极材料 ? 硫-介孔碳复合正极材料
? 高孔率碳材料 ? 分级介孔碳材料
? 硫-导电聚合物复合正极材料
? S/导电聚合物材料 ? 含S-C化学键的导电材料
分级介孔碳-硫复合正极材料
软模板法制备介孔碳
KOH活化得到分级介孔碳 +S
S/C复合材料
中孔孔径： 7.3 nm
微孔孔径： < 2 nm
通过 KOH 活化， 在中孔骨架结构 保持完整的情况 下引入微孔，得 到一种双峰孔分 布的分级孔结构
大量的微孔使 S可以很好的吸附在碳载体上，提高其循环性能，优良的介孔骨架 结构为离子和电子传导提供很好的通道，有利于提高倍率放电性能和功率密度
锂硫电池的优势和挑战
2600 Wh kg -1
高比能量
成本低
正极采用硫
环境友好
锂硫电池
电解液的稳定性
元素硫的导电性差
循环容量衰减 Sx2-的穿梭
自放电严重 活性物质利用率低
锂负极的枝晶问题
Li-S 电池容量衰减
? Cathode composition S：C：binder = 84:12:4 theory capacity ：1404
Cathode: S8 ? 16Li? ? 16e? ? ?Disc?h/?Ch? 8Li2S Step iii: 2Li2S4 ? 4Li? ? 4e? ? 4L 2S2
Yamin etal, J. Power Sources, 9 (1983) 281-287 Ji et al, J. Mater. Chem., 2019, 20, 9821-9826
Chengdu Liang et al, Chem. Mater. 21 (2009) 4724-4730
分级介孔碳-硫复合正极材料
? S-C01 到S-C07 ，硫的担量分别为 11.7, 18.7, 24.8, 30.7, 37.1, 45.8, 51.5 wt % ? WVA-1500 为活化的高比表面积微孔碳 ? 硫担量为 11.7 wt. % 时，放电电流可以高达 2.5 A g-1 ，非常有利于提高电池的功率密度