化学改性碳在锂硫电池中的研究进展

doi:10.3866/PKU.WHXB201609232

物理化学学报 >> 2017, Vol. 33 >> Issue (1): 165-182.doi: 10.3866/PKU.WHXB201609232

化学改性碳在锂硫电池中的研究进展

李宛飞¹,刘美男¹,王健¹,张跃钢^1,^2,*()

¹ 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏苏州215123
² 清华大学物理系,北京100084

收稿日期:2016-07-29 发布日期:2016-12-29
通讯作者: 张跃钢 E-mail:ygzhang2012@sinano.ac.cn
作者简介:李宛飞, 1976年生。2000年本科毕业于信阳师范学院化学系, 2006年博士毕业于苏州大学,现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所硕士生导师,副研究员。主要研究方向为功能纳米材料合成及应用、新型电化学能源存储材料与器件。主持国家自然科学基金1项,参与2项|刘美男, 1980年生。2003年本科毕业于沈阳化工学院, 2009年博士毕业于大连理工大学,现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所硕士生导师,副研究员。主要研究方向为无机纳米材料的可控合成与制备及其在能源存储方面的应用。主持国家自然科学基金1项,参与2项|王健, 1991年生。2016年硕士毕业,上海大学和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所联合培养。2016年至今在中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所攻读物理化学博士学位。主要研究方向为功能碳质纳米材料的合成、表征及其在电化学能源存储器件中的应用及电化学原位测试表征|张跃钢, 1963年生。1986年本科毕业于清华大学物理系, 1996年博士毕业于日本东京大学。现为国家"千人计划"特聘专家,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员,清华大学物理系双聘教授,博士生导师。主要研究方向为纳米材料合成与表征、纳米器件制造与测试、能源存储器件研究及原位测试技术。主持国家自然科学基金重点项目1项,中科院国际合作项目2项,参与科技部重点研发计划项目1项
基金资助:
国家自然科学基金(21433013)

Progress of Lithium/Sulfur Batteries Based on Chemically Modified Carbon

Wan-Fei LI¹,Mei-Nan LIU¹,Jian WANG¹,Yue-Gang ZHANG^1,^2,*()

¹ Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215123, Jiangsu Province, P. R. China
² Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, P. R. China

Received:2016-07-29 Published:2016-12-29
Contact: Yue-Gang ZHANG E-mail:ygzhang2012@sinano.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21433013)

摘要/Abstract

摘要：

自从我们课题组在2011年首次报道化学改性碳用于锂硫电池以来，其在锂硫电池中的应用便引起了人们的广泛关注。与传统碳质材料相比，化学改性碳在抑制多硫离子的溶解和扩散，实现锂硫电池长循环寿命方面展现出了其独特的优势和前景，已成为当前锂硫电池领域研究的热点和前沿。本综述主要报道了本课题组在化学改性碳高效利用硫材料以及其与多硫离子的化学和物理吸附协同作用高效固硫方面所取得的研究进展，系统介绍了不同化学改性碳的结构特点、优势及在锂硫电池中的应用，展望了化学改性碳在锂硫电池中的应用前景。

关键词: 锂硫电池, 碳, 化学改性, 硫正极, 穿梭效应

Abstract:

Chemically modified carbon has attracted significant attention since our first report of its use in lithium/sulfur (Li/S) cells. Compared with traditional carbon materials, chemically modified carbon prevents the dissolution and diffusion of intermediate polysulfides. Therefore, it yields sulfur cathodes with long cycling stability, which has become the focus of current research in the field of Li/S batteries. This review summarizes the use of chemically modified carbon for highly efficient sulfur utilization and the synergistic chemical/physical trapping of sulfur species. The prospects of further developments of Li/S batteries using chemically modified carbon is also discussed.

Key words: Lithium/sulfur battery, Carbon, Chemical modification, Sulfur cathode, Shuttle effect

MSC2000:

O646

李宛飞,刘美男,王健,张跃钢. 化学改性碳在锂硫电池中的研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 165-182.

Wan-Fei LI,Mei-Nan LIU,Jian WANG,Yue-Gang ZHANG. Progress of Lithium/Sulfur Batteries Based on Chemically Modified Carbon[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(1): 165-182.

参考文献

1	Goodenough J. B. Energy Environ. Sci 2014, 7, 14.
2	Larcher D. ; Tarascon J. M. Nat. Chem 2015, 7, 19.
3	Ellis B. L. ; Lee K. T. ; Nazar L. F. Chem. Mater 2010, 22, 691.
4	Goodenough J. B. ; Park K. S. J.Am. Chem. Soc 2013, 135, 1167.
5	Erickson E. M. ; Ghanty C. ; Aurbach D. J.Phys. Chem. Lett 2014, 5, 3313.
6	Croguennec L. ; Palacin M. R. J.Am. Chem. Soc 2015, 137, 3140.
7	Liu C. ; Li F. ; Ma L. P. ; Cheng H. M. Adv. Mater 2010, 22, E28.
8	Cheng F. Y. ; Liang J. ; Tao Z. L. ; Chen J. Adv. Mater 2011, 23, 1695.
9	Yang Y. ; Zheng G. Y. ; Cui Y. Chem. Soc. Rev 2013, 42, 3018.
10	Muldoon J. ; Bucur C. B. ; Gregory T. Chem. Rev 2014, 114, 11683.
11	Lin M. C. ; Gong M. ; Lu B. A. ; Wu Y. P. ; Wang D. Y. ; Guan M. Y. ; Angell M. ; Chen C. X. ; Yang J. ; Hwang B. J. ; Dai H.J. Nature 2015, 520, 325.
12	Yin Y. X. ; Xin S. ; Guo Y. G. ; Wan L. J. Angew. Chem. Int. Ed 2013, 52, 13186.
13	Manthiram A. ; Chung S. H. ; Zu C. X. Adv. Mater 2015, 27, 1980.
14	Li W. F. ; Cheng S. ; Wang J. ; Qiu Y. C. ; Zheng Z. Z. ; Lin H.Z. ; Nanda S. ; Ma Q. ; Xu Y. ; Ye F. M. ; Liu M. N. ; Zhou L.S. ; ZhangY.G. Angew. Chem. Int. Ed 2016, 55, 1.
15	Song M. K. ; Cairns E. J. ; Zhang Y. G. Nanoscale 2013, 5, 2186.
16	Bruce P. G. ; Freunberger S. A. ; Hardwick L. J. ; Tarascon J.M. Nat. Mater 2012, 11, 172.
17	Wild M. ; O'Neill L. ; Zhang T. ; Purkayastha R. ; Minton G. ; Marinescub M. ; Offer G. J. Energy Environ. Sci 2015, 8, 3477.
18	Pope M. A. ; Aksay I. A. Adv. Energy Mater 2015, 5, 1500124.
19	Zhang S. ; Ueno K. ; Dokko K. ; Watanabe M. Adv. Energy Mater 2015, 5, 1500117.
20	Huang J. Q. ; Zhang Q. ; Wei F. Energy Storage Mater 2015, 1, 127.
21	Song M. K. ; Zhang Y. G. ; Cairns E. J. Nano Lett 2013, 13, 5891.
22	Qiu Y. C. ; Li W. F. ; Zhao W. ; Li G. Z. ; Hou Y. ; Liu M. N. ; Zhou L. S. ; Ye F. M. ; Li H. F. ; Wei Z. H. ; Yang S. H. ; Duan W. H. ; Ye Y. F. ; Guo J. H. ; Zhang Y. G. Nano Lett 2014, 14, 4821.
23	Qiu Y. C. ; Rong G. L. ; Yang J. ; Li G. Z. ; Ma S. ; Wang X. L. ; Pan Z. H. ; Hou Y. ; Liu M. N. ; Ye F. M. ; Li W. F. ; Seh Z.W. ; Tao X. Y. ; Yao H. B. ; Liu N. ; Zhang R. F. ; Zhou G. M. ; Wang J. P. ; Fan S. S. ; Cui Y. ; Zhang Y. G. Adv. Energy Mater 2015, 5, 1501369.
24	Suo L. M. ; Hu Y. S. ; Li H. ; Armand M. ; Chen L. Q. Nat. Commun 2013, 4, 1481.
25	Zhou G. ; Li L. ; Wang D.W. ; Shan X. Y. ; Pei S. ; Li F. ; Cheng H. M. Adv. Mater 2015, 27, 641.
26	Huang J. Q. ; Zhuang T. Z. ; Zhang Q. ; Peng H. J. ; Chen C.M. ; Wei F. ACS Nano 2015, 9, 3002.
27	Wang W. K. ; Yu Z. B. ; Wang A. B. ; Yuan K. G. ; Yang Y. S. Research Progress and Thought in Lithium-Sulfur Batteries. The14th National Conference of Electrochemistry Yangzhou: YangzhouUniversity, 2007, 1058.
28	Ji X. L. ; Lee K. T. ; Nazar L. F. Nat. Mater 2009, 8, 500.
29	Li K.F. ; Wang B. ; Su D.W. ; Park J. ; Ahn H. ; Wang G. X. J. Power Sources 2012, 202, 389.
30	Li G. C. ; Hu J. J. ; Li G. R. ; Ye S. H. ; Gao X. P. J.Power Sources 2013, 240, 589.
31	Cheng J. J. ; Pan Y. ; Pan J. A. ; Song H. J. ; Ma Z. S. RSC Adv 2015, 5, 68.
32	Ji L.W. ; Rao M. M. ; Aloni S. ; Wang L. ; Cairns E. J. ; Zhang Y. G. Energy Environ. Sci 2011, 4, 5053.
33	Zheng G. Y. ; Yang Y. ; Cha J. J. ; Hong S. S. ; Cui Y. Nano Lett 2011, 11, 4462.
34	Guo J. C. ; Xu Y. H. ; Wang C. S. Nano Lett 2011, 11, 4288.
35	Wang L. N. ; Zhao Y. ; Thom M. L. ; Byon H. R. Adv. Funct. Mater 2014, 24, 2248.
36	Zhu L. ; Zhu W. C. ; Cheng X. B. ; Huang J. Q. ; Peng H. J. ; Yang S. H. ; Zhang Q. Carbon 2014, 75, 161.
37	Zhu J. X. ; Yang D. ; Yin Z. Y. ; Yan Q. Y. ; Zhang H. Small 2014, 10, 3480.
38	You Y. ; Zeng W. C. ; Yin Y. X. ; Zhang J. ; Yang C. P. ; Zhu Y.W. ; Guo Y. Y. J.Mater. Chem. A 2015, 3, 4799.
39	Li H. F. ; Yang X.W. ; Wang X. M. ; Liu M. N. ; Ye F. M. ; Wang J. ; Qiu Y. C. ; Li W. F. ; Zhang Y. G. Nano Energy 2015, 12, 468.
40	Zhou G. M. ; Pei S. F. ; Li L. ; Wang D.W. ; Wang S. G. ; Huang K. ; Yin L. C. ; Li F. ; Cheng H. M. Adv. Mater 2014, 26, 625.
41	Zheng S. Y. ; Yi F. ; Li Z. P. ; Zhu Y. J. ; Xu Y. H. ; Luo C. ; Yang J. H. ; Wang C. S. Adv. Funct. Mater 2014, 24, 4156.
42	Li Z. ; Yuan L. X. ; Yi Z. Q. ; Sun Y. M. ; Liu Y. ; Jiang Y. ; Shen Y. ; Xin Y. ; Zhang Z. L. ; Huang Y. H. Adv. Energy Mater 2014, 4, 1301473.
43	Zhang K. ; Zhao Q. ; Tao Z. L. ; Chen J. Nano Res 2013, 6, 38.
44	Peng H. J. ; Huang J. Q. ; Zhao M. Q. ; Zhang Q. ; Cheng X.B. ; Liu X. Y. ; Qian W. Q. ; Wei F. Adv. Func. Mater 2014, 19, 2772.
45	Liu S. K. ; Xie K. ; Li Y. J. ; Chen Z. X. ; Hong X. B. ; Zhou L.J. ; Yuan J. F. ; Zheng C. M. RSC Adv 2015, 5, 5516.
46	Zhu L. ; Peng H. J. ; Liang J. Y. ; Huang J. Q. ; Chen C. M. ; Guo X. F. ; Zhu W. C. ; Li P. ; Zhang Q. Nano Energy 2015, 11, 746.
47	Sun L. ; Kong W. B. ; Jiang Y. ; Wu H. C. ; Jiang K. L. ; Wang J. P. ; Fan S. S. J.Mater. Chem. A 2015, 3, 5305.
48	Yang X. ; Zhang L. ; Zhang F. ; Huang Y. ; Chen Y. S. ACS Nano 2014, 8, 5208.
49	Seh Z.W. ; Li W. Y. ; Cha J. J. ; Zheng G. Y. ; Yang Y. ; McDowell M. T. ; Hsu P. C. ; Cui Y. Nat. Commun 2013, 4, 1331.
50	Yao H. B. ; Zheng G. Y. ; Hsu P. C. ; Kong D. S. ; Cha J. J. ; Li W. Y. ; Seh Z.W. ; McDowell M. T. ; Yan K. ; Liang Z. ; Narasimhan V. K. ; Cui Y. Nat. Commun 2014, 5, 3943.
51	Tao X. Y. ; Wang J. G. ; Ying Z. G. ; Cai Q. X. ; Zheng G. Y. ; Gan Y. P. ; Huang H. ; Xia Y. ; Liang C. ; Zhang W. K. ; Cui Y. Nano Lett 2014, 14, 5288.
52	Pang Q. ; Kundu D. ; Cuisinier M. ; Naza L. F. Nat. Commun 2015, 5, 4759.
53	Song M. S. ; Han S. C. ; Kim H. S. ; Kim J. H. ; Kim K. T. ; Kang Y. M. ; Ahn H. J. ; Dou S. X. ; Lee J. Y. J.Electrochem. Soc 2004, 151, A791.
54	Zhang Y. G. ; Zhao Y. ; Yermukhambetova A. ; Bakenov Z. ; Chen P. J. J.Mater. Chem. A 2013, 1, 295.
55	Choi Y. J. ; Jung B. S. ; Lee D. J. ; Kim K.W. ; Ahn H. J. ; Cho K. K. ; Gu H. B. Phys. Scr 2007, T129, 62.
56	Ji X. L. ; Evers S. ; Black R. ; Nazar L. F. Nat. Commun 2011, 2, 325.
57	Liang Z. ; Zheng G. Y. ; Li W. Y. ; Seh Z.W. ; Yao H. B. ; Yan K. ; Kong D. S. ; Cui Y. ACS Nano 2014, 8, 5249.
58	Sun F. G. ; Wang J. T. ; Long D. H. ; Qiao W. M. ; Ling L. C. ; Lv C. X. ; Cai R. J.Mater. Chem. A 2013, 1, 13283.
59	Qu Q. T. ; Gao T. ; Zheng H. Y. ; Wang Y. ; Li X. Y. ; Li X. X. ; Chen J. M. ; Han Y. Y. ; Shao J. ; Zheng H. Z. Adv. Mater. Interfaces 2015, 2, 1500048.
60	Liang X. ; Garsuch A. ; Nazar L. F. Angew. Chem. Int. Ed 2015, 54, 3907.
61	Zhang Q. F. ; Wang Y. F. ; Seh Z.W. ; Fu Z. H. ; Zhang R. F. ; Cui Y. Nano Lett 2015, 15, 3780.
62	Ji L. ; Rao M. ; Zheng H. ; Zhang L. ; Li Y. ; Duan W. ; Guo J. ; Cairns E. J. ; Zhang Y. J. Am. Chem. Soc 2011, 133, 18522.
63	Zhang S. S. Inorg. Chem. Front 2015, 2, 1059.
64	Zhang L. ; Ji L. ; Glans P. A. ; Zhang Y. ; Zhu J. ; Guo J. Phys. Chem. Chem. Phys 2012, 14, 13670.
65	Qiu Y. C. ; Li W. F. ; Li G. Z. ; Hou Y. ; Zhou L. S. ; Li H. F. ; Liu M. N. ; Ye F. M. ; Yang X.W. ; Zhang Y. G. Nano Res 2014, 7, 1355.
66	Ye F. M. ; Liu M. N. ; Zhang X. Y. ; Li W. F. ; Pan Z. H. ; Li H.F. ; Zhang S. ; Zhang Y. G. Small 2016, 12, 4966.
67	Liu M. N. ; Ye F. M. ; Li W. F. ; Li H. F. ; Zhang Y. G. Nano Res 2016, 9, 94.
68	Wang C. ; Su K. ; Wan W. ; Guo H. ; Zhou H. H. ; Chen J. T. ; Zhang X. X. ; Huang Y. H. J.Mater. Chem. A 2014, 2, 5018.
69	Zhang S. ; Liu M. N. ; Ma F. ; Ye F. M. ; Li H. F. ; Zhang X. Y. ; Hou Y. ; Qiu Y. C. ; Li W. F. ; Wang J. ; Wang J. ; Zhang Y. G. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 18913.
70	Liu J. H. ; Zhang T. K. ; Wang Z. C. ; Dawson G. ; Chen W. J. Mater. Chem 2011, 21, 14398.
71	Zhang Y.W. ; Liu J. H. ; Wu G. ; Chen W. Nanoscale 2012, 4, 5300.
72	Liu J. ; Liu Y. ; Liu N. Y. ; Han Y. Z. ; Zhang X. ; Huang H. ; Lifshitz Y. ; Lee S. T. ; Zhong J. ; Kang Z. H. Science 2015, 347, 970.
73	Liu J. H. ; Li W. F. ; Duan L. M. ; Li X. ; Ji L. ; Geng Z. B. ; Huang K. K. ; Lu L. H. ; Zhou L. S. ; Liu Z. R. ; Chen W. ; Liu L.W. ; Feng S. H. ; Zhang Y. G. Nano Lett 2015, 15, 5137.
74	Pang Q. ; Nazar L. F. ACS Nano 2016, 10, 4111.
75	Wang J. ; Cheng S. ; Li W.F. ; Zhang S. ; Li H. F. ; Zheng Z.Z. ; Li F. J. ; Shi L. Y. ; Lin H. Z. ; Zhang Y. G. J.Power Sources 2016, 321, 193.
76	Zhou G. ; Paek E. ; Hwang G. S. ; Manthiram A. Nat. Commun 2015, 6, 7760.
77	Pang Q. ; Tang J. ; Huang H. ; Liang X. ; Hart C. ; Tam K. C. ; Nazar L. F. Adv. Mater 2015, 27, 6021.

[1]	胡媛媛,王从洋. 双金属促进的均相碳氢键活化反应[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 913-922.
[2]	王珍,李恩,和志奇,陈杰安,黄湧. 基于双重碳氢活化的γ, δ-不饱和酰胺与炔烃的脱氢环化反应[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 906-912.
[3]	朱月路,赵鑫阳,吴谦,陈颖,赵劲. 多功能氧酰胺导向基在碳氢键活化反应中的研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 989-1004.
[4]	王庆兵,郭政伟,陈弓,何刚. 1, 1'-双(二苯基膦基)二茂铁介导的芳烃碳氢键芳基化反应制备联芳基骨架[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 1021-1026.
[5]	程振杰, 毛亚云, 董庆雨, 金锋, 沈炎宾, 陈立桅. 氟代碳酸乙烯酯添加剂对钠离子电池正极的影响[J]. 物理化学学报, 2019, 35(8): 868-875.
[6]	陈东,岳昕阳,李璕琭,吴晓京,周永宁. 锂硒电池正极材料的研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(7): 667-683.
[7]	李路路,姚路,段力. 基于共价有机框架复合材料的锂硒电池应用[J]. 物理化学学报, 2019, 35(7): 734-739.
[8]	胡超,穆野,李明宇,邱介山. 纳米碳点的制备与应用研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(6): 572-590.
[9]	杨晓冬,陈驰,周志有,孙世刚. 碳基非贵金属氧还原电催化剂的活性位结构研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(5): 472-485.
[10]	林舟,申琳璠,瞿希铭,张俊明,姜艳霞,孙世刚. 盐封后碳化钼电催化剂的制备及其氢析出性能[J]. 物理化学学报, 2019, 35(5): 523-530.
[11]	曹丹丹, 吕荣, 于安池. 高光学质量氮化碳薄膜的制备和表征[J]. 物理化学学报, 2019, 35(4): 442-450.
[12]	杨瑞龙,张笛宇,朱康伟,周寰林,叶小球,KLEYN Aart W.,胡殷,黄强. 射频放电等离子体中CO₂及CO₂-H₂混合气转化反应的原位研究[J]. 物理化学学报, 2019, 35(3): 292-298.
[13]	谷雨星,杨娟,汪的华. CO₂熔盐电化学转化碳材料的电化学特性[J]. 物理化学学报, 2019, 35(2): 208-214.
[14]	刘艳芳,胡兵,尹雅芝,刘国亮,洪昕林. 无表面活性剂条件下一锅法制备金属/氧化锌复合材料用于催化二氧化碳加氢制甲醇反应[J]. 物理化学学报, 2019, 35(2): 223-229.
[15]	卢秀利,韩莹莹,鲁统部. 石墨炔结构表征及在光电催化反应中的应用[J]. 物理化学学报, 2018, 34(9): 1014-1028.

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