化学改性碳在锂硫电池中的研究进展

引用本文: 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. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609232 shu

Citation: LI Wan-Fei, LIU Mei-Nan, WANG Jian, ZHANG Yue-Gang. Progress of Lithium/Sulfur Batteries Based on Chemically Modified Carbon[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(1): 165-182. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609232 shu

化学改性碳在锂硫电池中的研究进展

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

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。;

基金项目:
国家自然科学基金（21433013）资助项目

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:

English

Progress of Lithium/Sulfur Batteries Based on Chemically Modified Carbon

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 Date: 29 July 2016
Revised Date: 22 September 2016
Fund Project:
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (21433013).

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:

1. [1]
  Goodenough, J. B. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 14. doi: 10.1039/C3EE42613K
2. [2]
  Larcher, D.; Tarascon, J. M. Nat. Chem. 2015, 7, 19. doi: 10.1038/nchem.2085
3. [3]
  Ellis, B. L.; Lee, K. T.; Nazar, L. F. Chem. Mater. 2010, 22, 691. doi: 10.1021/cm902696j
4. [4]
  Goodenough, J. B.; Park, K. S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1167. doi: 10.1021/ja3091438
5. [5]
  Erickson, E. M.; Ghanty, C.; Aurbach, D. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 3313. doi: 10.1021/jz501387m
6. [6]
  Croguennec, L.; Palacin, M. R. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3140. doi: 10.1021/ja507828x
7. [7]
  Liu, C.; Li, F.; Ma, L. P.; Cheng, H. M. Adv. Mater. 2010, 22, E28. doi: 10.1002/adma.200903328
8. [8]
  Cheng, F. Y.; Liang, J.; Tao, Z. L.; Chen, J. Adv. Mater. 2011, 23, 1695. doi: 10.1002/adma.201003587
9. [9]
  Yang, Y.; Zheng, G. Y.; Cui, Y. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 3018. doi: 10.1039/c2cs35256g
10. [10]
  Muldoon, J.; Bucur, C. B.; Gregory, T. Chem. Rev. 2014, 114, 11683. doi: 10.1021/cr500049y
11. [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. doi: 10.1038/nature14340
12. [12]
  Yin, Y. X.; Xin, S.; Guo, Y. G.; Wan, L. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 13186. doi: 10.1002/anie.201304762
13. [13]
  Manthiram, A.; Chung, S. H.; Zu, C. X. Adv. Mater. 2015, 27, 1980. doi: 10.1002/adma.201405115
14. [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.; Zhang, Y. G. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1. doi: 10.1002anie.201600256
15. [15]
  Song, M. K.; Cairns, E. J.; Zhang, Y. G. Nanoscale 2013, 5, 2186. doi: 10.1039/c2nr33044j
16. [16]
  Bruce, P. G.; Freunberger, S. A.; Hardwick, L. J.; Tarascon, J.M. Nat. Mater. 2012, 11, 172. doi: 10.1038/nmat3191
17. [17]
  Wild, M.; O'Neill, L.; Zhang, T.; Purkayastha, R.; Minton, G.; Marinescub, M.; Offer, G. J. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3477. doi: 10.1039/C5EE01388G
18. [18]
  Pope, M. A.; Aksay, I. A. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500124. doi: 10.1002/aenm.201500124
19. [19]
  Zhang, S.; Ueno, K.; Dokko, K.; Watanabe, M. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500117. doi: 10.1002/aenm.201500117
20. [20]
  Huang, J. Q.; Zhang, Q.; Wei, F. Energy Storage Mater. 2015, 1, 127. doi: 10.1016/j.ensm.2015.09.008
21. [21]
  Song, M. K.; Zhang, Y. G.; Cairns, E. J. Nano Lett. 2013, 13, 5891. doi: 10.1021/nl402793z
22. [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. doi: 10.1021/nl5020475
23. [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. doi: 10.1002/aenm.201501369
24. [24]
  Suo, L. M.; Hu, Y. S.; Li, H.; Armand, M.; Chen, L. Q. Nat. Commun. 2013, 4, 1481. doi: 10.1038/ncomms2513
25. [25]
  Zhou, G.; Li, L.; Wang, D.W.; Shan, X. Y.; Pei, S.; Li, F.; Cheng, H. M. Adv. Mater. 2015, 27, 641. doi: 10.1002adma.201404210
26. [26]
  Huang, J. Q.; Zhuang, T. Z.; Zhang, Q.; Peng, H. J.; Chen, C.M.; Wei, F. ACS Nano 2015, 9, 3002. doi: 10.1021/nn507178a
27. [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, YangzhouUniversity, Yangzhou, 2007, 1058.
28. [28]
  Ji, X. L.; Lee, K. T.; Nazar, L. F. Nat. Mater. 2009, 8, 500. doi: 10.1038/nmat2460
29. [29]
  Li, K.F.; Wang, B.; Su, D.W.; Park, J.; Ahn, H.; Wang, G. X.J. Power Sources 2012, 202, 389. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.11.073
30. [30]
  Li, G. C.; Hu, J. J.; Li, G. R.; Ye, S. H.; Gao, X. P. J. Power Sources 2013, 240, 598. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.02.095
31. [31]
  Cheng, J. J.; Pan, Y.; Pan, J. A.; Song, H. J.; Ma, Z. S. RSC Adv. 2015, 5, 68. doi: 10.1039/c4ra12509f
32. [32]
  Ji, L.W.; Rao, M. M.; Aloni, S.; Wang, L.; Cairns, E. J.; Zhang, Y. G. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 5053. doi: 10.1039C1EE02256C
33. [33]
  Zheng, G. Y.; Yang, Y.; Cha, J. J.; Hong, S. S.; Cui, Y. Nano Lett. 2011, 11, 4462. doi: 10.1021/nl2027684
34. [34]
  Guo, J. C.; Xu, Y. H.; Wang, C. S. Nano Lett. 2011, 11, 4288. doi: 10.1021/nl202297p
35. [35]
  Wang, L. N.; Zhao, Y.; Thom, M. L.; Byon, H. R. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2248. doi: 10.1002/adfm.201302915
36. [36]
  Zhu, L.; Zhu, W. C.; Cheng, X. B.; Huang, J. Q.; Peng, H. J.; Yang, S. H.; Zhang, Q. Carbon 2014, 75, 161. doi: 10.1016/j.carbon.2014.03.049
37. [37]
  Zhu, J. X.; Yang, D.; Yin, Z. Y.; Yan, Q. Y.; Zhang, H. Small 2014, 10, 3480. doi: 10.1002/smll.201303202
38. [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. doi: 10.1039c4ta06142j
39. [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. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.01.007
40. [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. doi: 10.1002/adma.201302877
41. [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. doi: 10.1002/adfm.201304156
42. [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. doi: 10.1002/aenm.201301473
43. [43]
  Zhang, K.; Zhao, Q.; Tao, Z. L.; Chen, J. Nano Res. 2013, 6, 38. doi: 10.1007/s12274-012-0279-1
44. [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. doi: 10.1002/adfm.201303296
45. [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. doi: 10.1039/c4ra12393j
46. [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. doi: 10.1016/j.nanoen.2014.11.062
47. [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. doi: 10.1039c4ta06255h
48. [48]
  Yang, X.; Zhang, L.; Zhang, F.; Huang, Y.; Chen, Y. S. ACS Nano 2014, 8, 5208. doi: 10.1021/nn501284q
49. [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. doi: 10.1038/ncomms2327
50. [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. doi: 10.1038/ncomms4943
51. [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. doi: 10.1021/nl502331f
52. [52]
  Pang, Q.; Kundu, D.; Cuisinier, M.; Naza, L. F. Nat. Commun. 2015, 5, 4759. doi: 10.1038/ncomms5759
53. [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. doi: 10.1149/1.1710895
54. [54]
  Zhang, Y. G.; Zhao, Y.; Yermukhambetova, A.; Bakenov, Z.; Chen, P. J. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 295. doi: 10.1039c2ta00105e
55. [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. doi: 10.1088/0031-8949/2007/T129/014
56. [56]
  Ji, X. L.; Evers, S.; Black, R.; Nazar, L. F. Nat. Commun. 2011, 2, 325. doi: 10.1038/ncomms1293
57. [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. doi: 10.1021nn501308m
58. [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. doi: 10.1039/c3ta12846f
59. [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. doi: 10.1002/admi.201500048
60. [60]
  Liang, X.; Garsuch, A.; Nazar, L. F. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3907. doi: 10.1002/anie.201410174
61. [61]
  Zhang, Q. F.; Wang, Y. F.; Seh, Z.W.; Fu, Z. H.; Zhang, R. F.; Cui, Y. Nano Lett. 2015, 15, 3780. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b00367
62. [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. doi: 10.1021/ja206955k
63. [63]
  Zhang, S. S. Inorg. Chem. Front. 2015, 2, 1059. doi: 10.1039c5qi00153f
64. [64]
  Zhang, L.; Ji, L.; Glans, P. A.; Zhang, Y.; Zhu, J.; Guo, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 13670. doi: 10.1039/C2CP42866K
65. [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. doi: 10.1007/s12274-014-0500-5
66. [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. doi: 10.1002small.201600779
67. [67]
  Liu, M. N.; Ye, F. M.; Li, W. F.; Li, H. F.; Zhang, Y. G. Nano Res. 2016, 9, 94. doi: 10.1007/s12274-016-1027-8
68. [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. doi: 10.1039/C3TA14921H
69. [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. doi: 10.1039/c5ta05819h
70. [70]
  Liu, J. H.; Zhang, T. K.; Wang, Z. C.; Dawson, G.; Chen, W.J. Mater. Chem. 2011, 21, 14398. doi: 10.1039/C1JM12620B
71. [71]
  Zhang, Y.W.; Liu, J. H.; Wu, G.; Chen, W. Nanoscale 2012, 4, 5300. doi: 10.1039/C2NR30948C
72. [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. doi: 10.1126/science.aaa3145
73. [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. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b01919
74. [74]
  Pang, Q.; Nazar, L. F. ACS Nano 2016, 10, 4111. doi: 10.1021acsnano.5b07347
75. [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. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.04.120
76. [76]
  Zhou, G.; Paek, E.; Hwang, G. S.; Manthiram, A. Nat. Commun. 2015, 6, 7760. doi: 10.1038/ncomms8760
77. [77]
  Pang, Q.; Tang, J.; Huang, H.; Liang, X.; Hart, C.; Tam, K. C.; Nazar, L. F. Adv. Mater. 2015, 27, 6021. doi: 10.1002/adma.201502467

扫一扫看文章

计量

PDF下载量: 3
文章访问数: 2509
HTML全文浏览量: 154

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

化学改性碳在锂硫电池中的研究进展

English

Progress of Lithium/Sulfur Batteries Based on Chemically Modified Carbon

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

化学改性碳在锂硫电池中的研究进展

English

Progress of Lithium/Sulfur Batteries Based on Chemically Modified Carbon

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南： 你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

文章相关

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs