锂硫电池中的催化作用: 材料与表征

doi:10.7503/cjcu20210003

摘要/Abstract

摘要：

锂硫电池是高能量密度储能体系的重要发展方向, 但其本征的“固-液-固”转化过程缓慢, 穿梭效应的存在使其循环寿命和能量密度远低于理论值. 如何加速硫的可逆反应成为实现锂硫电池变革性突破的关键. 近年来, 催化过程在锂硫电池研究中崭露头角, 高效催化剂的引入能够降低硫转化的势垒, 加速“固-液-固”转化进程, 提高硫的利用率, 从“准源头”上降低穿梭效应发生的概率, 减少电解液需求量, 提升锂硫电池整体性能. 本文综合评述了锂硫电池中高效催化材料的研究进展, 提出原位表征技术对催化机理研究的重要性和紧迫性, 并对锂硫电池未来的技术发展趋势进行了展望.

关键词: 锂硫电池, 穿梭效应, 催化机理, 原位表征

Abstract:

Lithium-sulfur（Li-S） battery is a promising next-generation energy storage system with ultrahigh energy density. However， the intrinsic “solid-liquid-solid” sluggish reaction causes unexpected shuttling of polysulfides， severely limiting the energy density and cycling performance. How to accelerate the reversible sulfur redox reaction has become the key to realize the breakthrough in the practical use of Li-S battery. Recently， the catalysis process has been introduced into Li-S battery. The introduction of high-efficiency catalysts into Li-S battery can reduce the energy barrier of sulfur conversion， and accelerate the "solid-liquid-solid" reaction. Thus， the shuttling of polysulfides can be reduced with a much lower electrolyte usage， further impro-ving the overall performance of Li-S battery. Herein， the research progress of high-efficiency catalysts in Li-S battery is systematically summarized and in?situ characterization techniques are proposed as significant strategy to illustrate the catalytic mechanism in Li-S battery. Moreover， comprehensive perspectives are given to guide the further research and development of Li-S battery.

Key words: Lithium-sulfur battery, Shuttle effect, Catalytic mechanism, In situ characterization

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 4

Fig.1 Schematic of catalyst accelerating sulfur cathode reaction and suppressing shuttle effect

Fig.2 Li?S chemistry of rGO and rGO/Co?based compounds with various anions[37](A) p bands originated from the non-metal anions can benefit the interfacial charge interaction by tuning the electron energy of the valence band; (B) comparison of the rate capabilities of S@rGO/CoP in the recent literature; (C) CV curves of rGO and rGO/Co-based compounds in a symmetric cell with/without Li2S6 as the electrolyte; (D) long-term cycling performance of S@rGO/CoP at 4.0C. Copyright 2018, Elsevier.

Fig.3 Schematic of the design principle and characterization of a TiO2-TiN heterostructure and Ti3C2Tx/TiO2 heterostructure[38,39](A)—(C) Schematic of LiPSs conversion processes on TiN, TiO2 and the TiO2-TiN heterostructure surface; (D) high-resolution TEM images of the TiO2-TiN structure; (E) schematic illustration of LiPSs trapping and conversion process on the Ti3C2Tx/TiO2 heterostructures; (F) high-resolution TEM images of the Ti3C2Tx/TiO2 structure; (G) ultralong cycling for the optimal cells with the 7TiN:3TiO2-G coating layer at 1C for about 2000 cycles.(A)—(D) Copyright 2017, RSC Publishing; (E)—(G) Copyright 2019, Wiley-VCH.

Fig.4 Evolution of in?situ sulfur K?edge XANES upon electrochemical cycling based on linear combination analysis[75](A), in situ XRD measurements of a Li|HMSC cell[76](B), time?sequential TEM images of the lithiation of a C/TiO2?TiN/S particle[78](C) and in operando Raman spectra based on the S@3VO2?1VN/G cathode collected[40](D)(A) Copyright 2013, American Chemical Society; (B) Copyright 2019, Nature Publishing Group; (C) Copyright 2019, RSC Publishing; (D) Copyright 2018, RSC Publishing.

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