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基于三维石墨烯的锂硫电池正极材料和器件研究
结题报告
批准号:
51472124
项目类别:
面上项目
资助金额:
84.0 万元
负责人:
陈永胜
依托单位:
学科分类:
E0203.碳素材料与超硬材料
结题年份:
2018
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
马延风、杨希、张帆、张腾飞、常慧聪、肖培双、徐艳红
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中文摘要
锂硫电池具有很高的理论比容量和比能量,是最具应用前景的锂离子电池之一。但锂硫电池发展至今仍存在比容量远低于理论值、循环性能较差的问题,主要原因是硫及其放电产物的低导电性、聚硫化物在电解液中的大量溶解流失以及相应的"穿梭效应"。本课题的主要研究目标就是设计合成具有良好的导电性、高的比表面、以及丰富孔洞结构的三维石墨烯材料,并以此材料作为支撑体负载硫,制备出具有高活性和高循环稳定性的三维石墨烯基锂硫电池正极材料。三维石墨烯材料高的比表面积和丰富的孔洞结构可以实现硫的高负载和高分散,丰富的三维孔洞结构可以起着很好的限域效果,有效地减少聚硫化物的扩散、流失。另外,我们还可以通过在三维石墨烯材料的表面负载一层多孔碳,构建一种三维石墨烯的大孔嵌套多孔碳的小孔的新颖孔结构,发辉大孔和小孔的协同效应,进一步抑制聚硫化物的扩散、流失。
英文摘要
Rechargeable lithium batteries have become one of the dominant portable rechargeable power sources due to their high volume and gravimetric energy density. However, the lower speci?c capacities of cathode materials compared to those of the anode have been a limiting factor to the energy density. Elemental sulfur is a promising cathode material for the next generation of high-specific-energy rechargeable lithium batteries due to its high theoretical specific capacity. However, Li/S batteries su?er from poor cyclability, which is mainly attributed to the dissolution of intermediate lithium polysul?de products, volumetric expansion and the poor conductivity of sulfur and polysul?de species. In order to address these challenges, porous carbon-based materials, especially graphene, have been used as cathode materials and have shown promising performance due to their obvious advantages of high conductivity and large surface area. Thus, in this project, 3D chemically bonded graphene foams with high electrical conductivity, large surface area and abundant 3D channels will be prepared and used as cathode materials after loading S. Self-assembly and chemically bonded graphene into macroscopic materials can translate the intriguing properties of graphene into the resulted macrostructures required for practical applications. When used as cathode materials of Li-S battery, the high surface area and 3D pore structure can achieve high loading and dispersion of sulfur, also the latter can effectively confine polysulfides from dissolving. The combination of the porous structure and excellent intrinsic properties of 3D graphene materials thus could provide fast mass and electron transport. To further improve the cycling performance of the Li-S battery, solid electrolyte will be applied to hinder the dissolution of intermediate lithium polysul?de products.
随着环境问题的日益严峻以及电子电动设备的迅猛发展,设计和开发高效的储能设备势在必行。锂硫电池因具有高能量密度、髙理论容量、硫资源丰富、价格低廉以及环境友好等特点,被认为是下一代最有前景的能量存储系统之一。然而,由于硫放电产物硫化锂充放电过程中的体积效应以及溶解等问题,致使硫正极利用率低、电池容量衰减快、循环性能差,严重阻碍了锂硫电池的商业化进程。  针对这些问题,我们设计并合成了一系列具有良好的导电性、高的比表面、以及丰富孔洞结构的三维石墨烯基复合材料,研究了材料的结构和性能;以三维石墨烯基复合材料为支撑体负载硫,制备出具有高活性和高循环稳定性的三维石墨烯基锂硫电池正极材料。其中,基于C@GO@MoS2@S正极材料、碳化巴沙木@S正极材料、碳化泥炭藓@CoNi2S4@S正极材料的锂硫电池的比容量分别达到了1450 mAh/g 、1120 mAh/g和1623 mAh/g ;基于C@GO@MoS2@S硫正极材料的锂硫电池循环后500次容量仍能保持600 mA g-1;同时我们还研究了三维石墨烯基复合材料的结构与其电化学性能间的构效关系,以C@GO@MoS2@S硫正极材料为例:介孔碳材料提供了合适的孔径(2-5nm)和大的比表面积(3000m2/g),为硫的均匀沉积和负载提供了条件,石墨烯作为导电骨架可以改善硫正极不导电的问题,同时原位水热的方法生成的MoS2可以对多硫化锂产生有效的化学吸附作用,从而改善锂硫电池的循环性能。上述研究结果为石墨烯材料在锂硫电池中的应用打下了基础。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Facile synthesis of carbon-coated Li3VO4 anode material and its application in full cells
碳包覆Li3VO4负极材料的简易合成及其在全电池中的应用
DOI:10.1002/ente.201800186
发表时间:2018
期刊:Energy Technology
影响因子:3.8
作者:Xueting Wang;Bin Qin;Dong Sui;Zhenhe Sun;Ying Zhou;Hongtao Zhang;Yongsheng Chen
通讯作者:Yongsheng Chen
A Ceramic-Based Separator for High-Temperature Supercapacitors
用于高温超级电容器的陶瓷隔膜
DOI:10.1002/ente.201700438
发表时间:2018
期刊:Energy Technology
影响因子:3.8
作者:Bin Qin;Yu Han;Yuxin Ren;Dong Sui;Ying Zhou;Miao Zhang;Zhenhe Sun;Yanfeng Ma;Yongsheng Chen
通讯作者:Yongsheng Chen
What are the practical limits for the specific surface area and capacitance of bulk sp(2) carbon materials?
大块 sp(2) 碳材料的比表面积和电容的实际限制是什么?
DOI:10.1007/s11426-015-5474-y
发表时间:2016
期刊:Science China Chemistry
影响因子:--
作者:Lu Yanhong;Lu Yanhong;Long Guankui;Zhang Long;Zhang Tengfei;Zhang Mingtao;Zhang Fan;Yang Yang;Ma Yanfeng;Chen Yongsheng;Lu Yanhong;Long Guankui;Zhang Long;Zhang Tengfei;Zhang Mingtao;Zhang Fan;Yang Yang;Ma Yanfeng;Chen Yongsheng;Lu Yanhong;Long Guankui;Zh
通讯作者:Zh
DOI:10.1021/jacs.8b06414
发表时间:2018
期刊:Journal of the American Chemical Society
影响因子:15
作者:Lu Yanhong;Ma Yanfeng;Zhang Tengfei;Yang Yang;Wei Lei;Chen Yongsheng
通讯作者:Chen Yongsheng
High energy density Li-ion capacitor assembled with all graphene-based electrodes
全石墨烯电极组装的高能量密度锂离子电容器
DOI:10.1016/j.carbon.2015.03.032
发表时间:2015
期刊:Carbon
影响因子:10.9
作者:Tengfei Zhang;Fan Zhang;Long Zhang;Yanhong Lu;Yi Zhang;Xi Yang;Yanfeng Ma;Yi Huang
通讯作者:Yi Huang
基于A-D-A型活性层材料的高效率高稳定性有机叠层太阳能电池研究
  • 批准号:
    21935007
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    300万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    陈永胜
  • 依托单位:
类高分子三维交联石墨烯宏观体相材料的制备及其应用研究
  • 批准号:
    51633002
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    285.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    陈永胜
  • 依托单位:
可溶液处理小分子高效有机太阳能电池给体材料及器件研究
  • 批准号:
    91433101
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    180.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    陈永胜
  • 依托单位:
可溶液加工功能化石墨烯的合成及其在聚合物光伏器件中的应用
  • 批准号:
    50933003
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    200.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    陈永胜
  • 依托单位:
功能化聚对苯撑乙炔与单壁碳纳米管杂化材料的制备及其光伏性能的研究
  • 批准号:
    20774047
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    34.0万元
  • 批准年份:
    2007
  • 负责人:
    陈永胜
  • 依托单位:
新型单壁碳纳米管(SWNTs)/ 聚对苯撑乙炔(PPE)杂化材料的制备及其光伏性能的研究
  • 批准号:
    20644004
  • 项目类别:
    专项基金项目
  • 资助金额:
    8.0万元
  • 批准年份:
    2006
  • 负责人:
    陈永胜
  • 依托单位:
国内基金
海外基金