石墨烯作为硫载体在锂硫电池中的研究进展

张梦迪 陈蓓 吴明铂

引用本文: 张梦迪, 陈蓓, 吴明铂. 石墨烯作为硫载体在锂硫电池中的研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(2): 2101001-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202101001 shu
Citation:  Mengdi Zhang, Bei Chen, Mingbo Wu. Research Progress in Graphene as Sulfur Hosts in Lithium-Sulfur Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(2): 2101001-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202101001 shu

石墨烯作为硫载体在锂硫电池中的研究进展

    作者简介:

    吴明铂,1972年出生。2004年获大连理工大学博士学位,现为中国石油大学(华东)教授、博士生导师,新能源学院常务副院长。主要研究方向为新型及高性能碳素材料的制备及其在储能领域的应用;
    通讯作者: 吴明铂, wumb@upc.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22005341

    山东省自然科学基金 ZR2018ZC1458

    山东省自然科学基金 ZR2020QB128

    兖矿集团科技项目 YKKJ2019AJ08JG-R63

    泰山学者计划 ts201712020

    中组部万人计划科技创新领军人才 W03020508

摘要: 锂硫电池因其超高的理论能量密度以及硫资源丰富、成本低廉、无毒的优点,被认为是极具发展潜力与应用前景的新一代储能设备。然而,硫正极导电性差、体积膨胀以及穿梭效应严重等问题严重制约了其商业化应用。石墨烯具有高比表面积、高导电性和高柔韧性,并且易于进行表面化学修饰及组装,是一种理想的硫载体材料。本文主要综述了近年来三维石墨烯、表面化学修饰的石墨烯、石墨烯基复合材料以及石墨烯基柔性材料在锂硫电池正极中的研究现状,并展望了石墨烯作为硫载体在锂硫电池正极中的发展趋势。

English

    1. [1]

      Larcher, D.; Tarascon, J. M. Nat. Chem. 2015, 7, 19. doi: 10.1038/nchem.2085

    2. [2]

      Fotouhi, A.; Auger, D. J.; Propp, K.; Longo, S.; Wild, M. Renew. Sust. Energ. Rev. 2016, 56, 1008. doi: 10.1016/j.rser.2015.12.009

    3. [3]

      Zhang, L.; Wang, Y.; Niu, Z.; Chen, J. Carbon 2019, 141, 400. doi: 10.1016/j.carbon.2018.09.067

    4. [4]

      Liu, Y. -T.; Liu, S.; Li, G. -R.; Gao, X. -P. Adv. Mater. 2020, 33, 2003955. doi: 10.1002/adma.202003955

    5. [5]

      Bruce, P. G.; Freunberger, S. A.; Hardwick, L. J.; Tarascon, J. -M. Nat. Mater. 2011, 11, 19. doi: 10.1038/nmat3191

    6. [6]

      Yang, Y.; Zheng, G.; Cui, Y. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 3018. doi: 10.1039/c2cs35256g

    7. [7]

      Zhang, M.; Yu, C.; Zhao, C.; Song, X.; Han, X.; Liu, S.; Hao, C.; Qiu, J. Energy Storage Mater. 2016, 5, 223. doi: 10.1016/j.ensm.2016.04.002

    8. [8]

      Cheon, S. E.; Ko, K. S.; Cho, J. H.; Kim, S. W.; Chin, E. Y.; Kim, H. T. J. Electrochem. Soc. 2003, 150, A796. doi: 10.1149/1.1571532

    9. [9]

      刘帅, 姚路, 章琴, 李路路, 胡南滔, 魏良明, 魏浩. 物理化学学报, 2017, 33, 2339. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706021Liu, S.; Yao, L.; Zhang, Q.; Li, L. -L.; Hu, N. -T.; Wei, L. -M.; Wei, H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 2339. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706021

    10. [10]

      He, Y.; Chang, Z.; Wu, S.; Zhou, H. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 6155. doi: 10.1039/C8TA01115J

    11. [11]

      Zheng, D.; Wang, G. W.; Liu, D.; Si, J. Y.; Ding, T. Y.; Qu, D. Y.; Yang, X. Q.; Qu, D. Y. Adv. Mater. Technol. 2018, 3. doi: 10.1002/admt.201700233

    12. [12]

      Deng, S.; Yan, Y.; Wei, L.; Li, T.; Su, X.; Yang, X.; Li, Z.; Wu, M. ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 1266. doi: 10.1021/acsaem.8b01815

    13. [13]

      Xu, Z. L.; Kim, J. K.; Kang, K. Nano Today 2018, 19, 84. doi: 10.1016/j.nantod.2018.02.006

    14. [14]

      Guan, L.; Hu, H.; Li, L.; Pan, Y.; Zhu, Y.; Li, Q.; Guo, H.; Wang, K.; Huang, Y.; Zhang, M.; et al. ACS Nano 2020, 14, 6222. doi: 10.1021/acsnano.0c02294

    15. [15]

      Yan, Y.; Chen, Z.; Yang, J.; Guan, L.; Hu, H.; Zhao, Q.; Ren, H.; Lin, Y.; Li, Z.; Wu, M. Small 2020, 16, 2004631. doi: 10.1002/smll.202004631

    16. [16]

      陈召龙, 高鹏, 刘忠范. 物理化学学报, 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004Chen, Z. L.; Gao, P.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1907004. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907004

    17. [17]

      Wang, B.; Ruan, T.; Chen, Y.; Jin, F.; Peng, L.; Zhou, Y.; Wang, D.; Dou, S. Energy Storage Mater. 2020, 24, 22. doi: 10.1016/j.ensm.2019.08.004

    18. [18]

      陈克, 孙振华, 方若翩, 李峰, 成会明. 物理化学学报, 2018, 34, 377. doi: 10.3866/PKU.WHXB201709001Chen, K.; Sun, Z. H.; Fang, R. P.; Li, F.; Cheng, H. M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 377. doi: 10.3866/PKU.WHXB201709001

    19. [19]

      Zhang, Y.; Gao, Z.; Song, N.; He, J.; Li, X. Mater. Today Energy 2018, 9, 319. doi: 10.1016/j.mtener.2018.06.001

    20. [20]

      Sun, C.; Liu, Y.; Sheng, J.; Huang, Q.; Lv, W.; Zhou, G.; Cheng, H. -M. Mater. Horiz. 2020, 7, 2487. doi: 10.1039/d0mh00815j

    21. [21]

      Wang, H.; Yang, Y.; Liang, Y.; Robinson, J. T.; Li, Y.; Jackson, A.; Cui, Y.; Dai, H. Nano Lett. 2011, 11, 2644. doi: 10.1021/nl200658a

    22. [22]

      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

    23. [23]

      Yang, X.; Zhang, L.; Zhang, F.; Huang, Y.; Chen, Y. S. ACS Nano 2014, 8, 5208. doi: 10.1021/nn501284q

    24. [24]

      Ning, H.; Mao, Q.; Wang, W.; Yang, Z.; Wang, X.; Zhao, Q.; Song, Y.; Wu, M. J. Alloys Compd. 2019, 785, 7. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.01.142

    25. [25]

      Zhao, Q.; Liu, J.; Li, X.; Xia, Z.; Zhang, Q.; Zhou, M.; Tian, W.; Wang, M.; Hu, H.; Li, Z.; et al. Chem. Eng. J. 2019, 369, 215. doi: 10.1016/j.cej.2019.03.076

    26. [26]

      王易, 霍旺晨, 袁小亚, 张育新. 物理化学学报, 2020, 36, 1904007. doi: 10.3866/PKU.WHXB201904007Wang, Y.; Huo. W.; Yuan, X.; Zhang, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1904007. doi: 10.3866/PKU.WHXB201904007

    27. [27]

      张婷, 李翠翠, 王伟, 郭兆琦, 庞爱民, 马海霞. 物理化学学报, 2020, 36, 1905048. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905048Zhang, T.; Li, C.; Wang, W.; Guo, Z.; Pang, A.; Ma, H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1905048. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905048

    28. [28]

      Li, Y.; Cai, Q.; Wang, L.; Li, Q.; Peng, X.; Gao, B.; Huo, K.; Chu, P. K. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 23784. doi: 10.1021/acsami.6b09479

    29. [29]

      Li, Z.; Xu, R.; Deng, S.; Su, X.; Wu, W.; Liu, S.; Wu, M. Appl. Surf. Sci. 2018, 433, 10. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.10.050

    30. [30]

      Liu, D.; Zhang, C.; Zhou, G.; Lv, W.; Ling, G.; Zhi, L.; Yang, Q. -H. Adv. Sci. 2018, 5. doi: 10.1002/advs.201700270

    31. [31]

      Guo, X.; Zheng, S.; Zhang, G.; Xiao, X.; Li, X.; Xu, Y.; Xue, H.; Pang, H. Energy Storage Mater. 2017, 9, 150. doi: 10.1016/j.ensm.2017.07.006

    32. [32]

      Wang, Z.; Xu, X.; Ji, S.; Liu, Z.; Zhang, D.; Shen, J.; Liu, J. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 55, 56. doi: 10.1016/j.jmst.2019.09.037

    33. [33]

      Huang, J. -Q.; Liu, X. -F.; Zhang, Q.; Chen, C. -M.; Zhao, M. -Q.; Zhang, S. -M.; Zhu, W.; Qian, W. -Z.; Wei, F. Nano Energy 2013, 2, 314. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.10.003

    34. [34]

      Zhao, M. -Q.; Zhang, Q.; Huang, J. -Q.; Tian, G. -L.; Nie, J. -Q.; Peng, H. -J.; Wei, F. Nat. Commun. 2014, 5, 3410. doi: 10.1038/ncomms4410

    35. [35]

      Tang, C.; Li, B. -Q.; Zhang, Q.; Zhu, L.; Wang, H. -F.; Shi, J. -L.; Wei, F. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 577. doi: 10.1002/adfm.201503726

    36. [36]

      Zu, C.; Manthiram, A. Adv. Energy Mater. 2013, 3, 1008. doi: 10.1002/aenm.201201080

    37. [37]

      Chang, N.; Zhou, C. G.; Fu, H.; Zhao, Y.; Shui, J. L. Adv. Mater. Interfaces 2017, 4, 9. doi: 10.1002/admi.201700783

    38. [38]

      Wang, Z.; Dong, Y.; Li, H.; Zhao, Z.; Wu, H. B.; Hao, C.; Liu, S.; Qiu, J.; Lou, X. W. Nat. Commun. 2014, 5, 5002. doi: 10.1038/ncomms6002

    39. [39]

      Qiu, Y.; Li, W.; Zhao, W.; Li, G.; Hou, Y.; Liu, M.; Zhou, L.; Ye, F.; Li, H.; Wei, Z.; et al. Nano Lett. 2014, 14, 4821. doi: 10.1021/nl5020475

    40. [40]

      Xie, Y.; Meng, Z.; Cai, T.; Han, W. -Q. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 25202. doi: 10.1021/acsami.5b08129

    41. [41]

      Xu, J.; Su, D.; Zhang, W.; Bao, W.; Wang, G. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17381. doi: 10.1039/c6ta05878g

    42. [42]

      Hou, T. Z.; Chen, X.; Peng, H. J.; Huang, J. Q.; Li, B. Q.; Zhang, Q.; Li, B. Small 2016, 12, 3283. doi: 10.1002/smll.201600809

    43. [43]

      Zhang, K.; Chen, Z.; Ning, R.; Xi, S.; Tang, W.; Du, Y.; Liu, C.; Ren, Z.; Chi, X.; Bai, M.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 25147. doi: 10.1021/acsami.9b05628

    44. [44]

      Zhang, L.; Liu, D.; Muhammad, Z.; Wan, F.; Xie, W.; Wang, Y.; Song, L.; Niu, Z.; Chen, J. Adv. Mater. 2019, 31. 19063955. doi: 10.1002/adma.201903955

    45. [45]

      Li, Y.; Lin, S.; Wang, D.; Gao, T.; Song, J.; Zhou, P.; Xu, Z.; Yang, Z.; Xiao, N.; Guo, S. Adv. Mater. 2020, 32, 1906722. doi: 10.1002/adma.201906722

    46. [46]

      Li, Y.; Wu, J.; Zhang, B.; Wang, W.; Zhang, G.; Seh, Z. W.; Zhang, N.; Sun, J.; Huang, L.; Jiang, J.; et al. Energy Storage Mater. 2020, 30, 250. doi: 10.1016/j.ensm.2020.05.022

    47. [47]

      Lu, C.; Chen, Y.; Yang, Y.; Chen, X. Nano Lett. 2020, 20, 5522. doi: 10.1021/acs.nanolett.0c02167

    48. [48]

      Lu, C.; Fang, R.; Chen, X. Adv. Mater. 2020, 32, 1906548. doi: 10.1002/adma.201906548

    49. [49]

      Zhang, Q.; Zhang, X.; Wang, J.; Wang, C. Nanotechnology 2021, 32, 032001. doi: 10.1088/1361-6528/abbd70

    50. [50]

      Du, Z.; Chen, X.; Hu, W.; Chuang, C.; Xie, S.; Hu, A.; Yan, W.; Kong, X.; Wu, X.; Ji, H.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 3977. doi: 10.1021/jacs.8b12973

    51. [51]

      Wang, Y.; Adekoya, D.; Sun, J.; Tang, T.; Qiu, H.; Xu, L.; Zhang, S.; Hou, Y. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807485. doi: 10.1002/adfm.201807485

    52. [52]

      Zhou, G.; Wang, S.; Wang, T.; Yang, S. -Z.; Johannessen, B.; Chen, H.; Liu, C.; Ye, Y.; Wu, Y.; Peng, Y.; et al. Nano Lett. 2020, 20, 1252. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b04719

    53. [53]

      Zhou, G. M.; Zhao, Y. B.; Manthiram, A. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1402263. doi: 10.1002/aenm.201402263

    54. [54]

      Chen, K.; Sun, Z.; Fang, R.; Shi, Y.; Cheng, H. -M.; Li, F. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707592. doi: 10.1002/adfm.201707592

    55. [55]

      Chen, X.; Xiao, Z.; Ning, X.; Liu, Z.; Yang, Z.; Zou, C.; Wang, S.; Chen, X.; Chen, Y.; Huang, S. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1301988. doi: 10.1002/aenm.201301988

    56. [56]

      Peng, H. -J.; Huang, J. -Q.; Zhao, M. -Q.; Zhang, Q.; Cheng, X. -B.; Liu, X. -Y.; Qian, W. -Z.; Wei, F. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2772. doi: 10.1002/adfm.201303296

    57. [57]

      Chen, R.; Zhao, T.; Lu, J.; Wu, F.; Li, L.; Chen, J.; Tan, G.; Ye, Y.; Amine, K. Nano Lett. 2013, 13, 4642. doi: 10.1021/nl4016683

    58. [58]

      Zhao, C.; Yu, C.; Zhang, M.; Yang, J.; Liu, S.; Li, M.; Han, X.; Dong, Y.; Qiu, J. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 21842. doi: 10.1039/c5ta05146k

    59. [59]

      Huang, J. -Q.; Xu, Z. -L.; Abouali, S.; Garakani, M. A.; Kim, J. -K. Carbon 2016, 99, 624. doi: 10.1016/j.carbon.2015.12.081

    60. [60]

      Zhang, Z.; Kong, L. -L.; Liu, S.; Li, G. -R.; Gao, X. -P. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602543. doi: 10.1002/aenm.201602543

    61. [61]

      Zhang, M.; Yu, C.; Yang, J.; Zhao, C.; Ling, Z.; Qiu, J. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 10380. doi: 10.1039/c7ta01512g

    62. [62]

      Tang, C.; Zhang, Q.; Zhao, M. -Q.; Huang, J. -Q.; Cheng, X. -B.; Tian, G. -L.; Peng, H. -J.; Wei, F. Adv. Mater. 2014, 26, 6100. doi: 10.1002/adma.201401243

    63. [63]

      Lu, S.; Cheng, Y.; Wu, X.; Liu, J. Nano Lett. 2013, 13, 2485. doi: 10.1021/nl400543y

    64. [64]

      Yuan, S.; Bao, J. L.; Wang, L.; Xia, Y.; Truhlar, D. G.; Wang, Y. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1501733. doi: 10.1002/aenm.201501733

    65. [65]

      Yu, M.; Ma, J.; Song, H.; Wang, A.; Tian, F.; Wang, Y.; Qiu, H.; Wang, R. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 1495. doi: 10.1039/c5ee03902a

    66. [66]

      Cheng, Z.; Xiao, Z.; Pan, H.; Wang, S.; Wang, R. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702337. doi: 10.1002/aenm.201702337

    67. [67]

      Sun, Z.; Zhang, J.; Yin, L.; Hu, G.; Fang, R.; Cheng, H. -M.; Li, F. Nat. Commun. 2017, 8, 14627. doi: 10.1038/ncomms14627

    68. [68]

      Chen, L.; Yang, W.; Liu, J.; Zhou, Y. Nano Res. 2019, 12, 2743. doi: 10.1007/s12274-019-2508-3

    69. [69]

      Jin, J.; Wen, Z.; Ma, G.; Lu, Y.; Cui, Y.; Wu, M.; Liang, X.; Wu, X. RSC Adv. 2013, 3, 2558. doi: 10.1039/C2RA22808D

    70. [70]

      Zhou, G. M.; Li, L.; Ma, C. Q.; Wang, S. G.; Shi, Y.; Koratkar, N.; Ren, W. C.; Li, F.; Cheng, H. M. Nano Energy 2015, 11, 356. doi: 10.1016/j.nanoen.2014.11.025

    71. [71]

      Wang, C.; Wang, X. S.; Wang, Y. J.; Chen, J. T.; Zhou, H. H.; Huang, Y. H. Nano Energy 2015, 11, 678. doi: 10.1016/j.nanoen.2014.11.060

    72. [72]

      Cao, J.; Chen, C.; Zhao, Q.; Zhang, N.; Lu, Q. Q.; Wang, X. Y.; Niu, Z. Q.; Chen, J. Adv. Mater. 2016, 28, 9629. doi: 10.1002/adma.201602262

    73. [73]

      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: 10.1039/c4ta06255h

    74. [74]

      Shi, H. D.; Zhao, X. J.; Wu, Z. S.; Dong, Y. F.; Lu, P. F.; Chen, J.; Ren, W. C.; Cheng, H. M.; Bao, X. H. Nano Energy 2019, 60, 743. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.006

    75. [75]

      Xiao, P.; Bu, F.; Yang, G.; Zhang, Y.; Xu, Y. Adv. Mater. 2017, 29, 1703324. doi: 10.1002/adma.201703324

    76. [76]

      He, J.; Hartmann, G.; Lee, M.; Hwang, G. S.; Chen, Y.; Manthiram, A. Energy Environ. Sci. 2019, 12, 344. doi: 10.1039/C8EE03252A

    77. [77]

      Ghosh, A.; Manjunatha, R.; Kumar, R.; Mitra, S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 33775. doi: 10.1021/acsami.6b11180

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  147
  • HTML全文浏览量:  25
文章相关
  • 发布日期:  2022-02-15
  • 收稿日期:  2021-01-04
  • 接受日期:  2021-01-27
  • 修回日期:  2021-01-26
  • 网络出版日期:  2021-02-08
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

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章