Seneste fremskridt for bor-baserede materialer i lithium-svovl-batteri
Forfatter:LI Gaoran, LI Hongyang, ZENG Haibo
MIIT Key Laboratory of Advanced Display Materials and Devices, Institute of Nano Optolectronic Materials, School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094
Abstrakt
Lithium-svovl (Li-S) batterier spiller en afgørende rolle i udviklingen af næste generation af elektrokemisk energilagringsteknologi på grund af dens høje energitæthed og lave omkostninger. Imidlertid er deres praktiske anvendelse stadig hindret af den træge kinetik og lave reversibilitet af omdannelsesreaktionerne, som bidrager til relativt lav praktisk kapacitet, Coulombisk ineffektivitet og cyklusstabilitet. I denne henseende udgør det rationelle design af ledende, adsorptive og katalytiske funktionelle materialer en kritisk vej til at stabilisere og fremme svovlelektrokemi. Ved at drage fordel af de unikke atomare og elektroniske strukturer af bor udviser bor-baserede materialer mangfoldige og afstembare fysiske, kemiske og elektrokemiske egenskaber og har modtaget omfattende forskningsbevågenhed i Li-S-batterier. Dette papir gennemgår de seneste forskningsfremskridt for bor-baserede materialer, herunder borophen, boratom-doteret kulstof, metalborider og ikke-metalborider i Li-S-batterier, konkluderer de resterende problemer og foreslår det fremtidige udviklingsperspektiv.
Nøgleord:lithium-svovl batteri, borid, kemisk doping, borophen, shuttle effekt, anmeldelse
Udvikling af grøn vedvarende energi, udvikling af avancerede energikonvertering og lagringsmetoder og etablering af et effektivt og rent energisystem er uundgåelige valg til at håndtere energikrisen og klimaændringerne i nutidens verden. Elektrokemisk energilagringsteknologi, repræsenteret ved batterier, kan konvertere og lagre ny ren energi og udnytte den i en mere effektiv og bekvem form, hvilket spiller en vigtig rolle i at fremme grøn energiøkonomi og bæredygtig udvikling [1,2]. Blandt mange batteriteknologier har lithium-ion-batterier fordelene ved høj energitæthed og ingen hukommelseseffekt. Det har opnået hurtig udvikling siden dets kommercialisering i 1991 og har været meget brugt i elektriske køretøjer, bærbare elektroniske enheder, nationalt forsvar og andre områder [3,4]. Men med den kontinuerlige udvikling af elektrisk udstyr har traditionelle lithium-ion-batterier ikke været i stand til at imødekomme det voksende energibehov. På denne baggrund har lithium-svovl-batterier tiltrukket sig udbredt opmærksomhed på grund af deres høje teoretiske specifikke kapacitet (1675 mAh·g-1) og energitæthed (2600 Wh∙kg-1). Samtidig er svovlressourcer rigelige, vidt udbredte, billige og miljøvenlige, hvilket gør lithium-svovl-batterier til et forskningshotspot inden for nye sekundære batterier i de senere år [5,6].
1 Arbejdsprincip og eksisterende problemer med lithium-svovl-batterier
Lithium-svovl-batterier bruger normalt elementært svovl som den positive elektrode og metallisk lithium som den negative elektrode. Den grundlæggende batteristruktur er vist i figur 1(a). Den elektrokemiske reaktion er en flertrins konverteringsreaktionsproces, der involverer multiple elektronoverførsler, ledsaget af fast-væske faseovergang og en række lithiumpolysulfidmellemprodukter (figur 1(b)) [7,8]. Blandt dem er elementært svovl og kortkædet Li2S2/Li2S placeret i begge ender af reaktionskæden uopløselige i elektrolytten og eksisterer i form af udfældning på elektrodeoverfladen. Langkædet lithiumpolysulfid (Li2Sx, 4 Mindre end eller lig med x Mindre end eller lig med 8) har højere opløselighed og migrationsevne i elektrolytten. Baseret på de iboende egenskaber af elektrodematerialer og deres fast-væskefase-transformationsreaktionsmekanisme har lithium-svovl-batterier energi- og omkostningsfordele, men de står også over for mange problemer og udfordringer [9,10,11,12]:
Fig. 1 Skematisk diagram af (a) lithium-svovl batterikonfiguration og (b) tilsvarende ladning-afladningsproces[7]
1) Fastfaset elementært svovl og Li2S akkumuleres på elektrodeoverfladen, og deres iboende elektron- og ioninerti fører til vanskeligheder med ladningstransmission og langsom reaktionskinetik, hvorved udnyttelsesgraden af aktive materialer og batteriets faktiske kapacitet reduceres.
2) Der er en stor densitetsforskel mellem svovl og Li2S i begge ender af reaktionskæden (2,07 vs 1,66 g∙cm-3). Materialet oplever en volumenændring på op til 80% under reaktionsprocessen, og elektrodens mekaniske strukturelle stabilitet står over for store udfordringer.
3) Opløsnings- og migrationsadfærden af lithiumpolysulfid i elektrolytten forårsager en alvorlig "shuttle-effekt", hvilket resulterer i alvorligt aktivt materialetab og Coulomb-tab. Derudover deltager lithiumpolysulfid i kemiske/elektrokemiske sidereaktioner på anodeoverfladen, hvilket ikke kun forårsager yderligere tab af aktive materialer, men også passiverer og korroderer anodeoverfladen, forværrer dannelsen og væksten af lithiumdendritter og øger sikkerhedsrisici.
Disse problemer hænger sammen og påvirker hinanden, hvilket i høj grad øger kompleksiteten af batterisystemet, hvilket gør det vanskeligt for nuværende lithium-svovl-batterier at opfylde behovene i praktiske anvendelser med hensyn til aktiv materialeudnyttelse, faktisk energitæthed, cyklusstabilitet og sikkerhed . Ud fra analysen af ovenstående problemer kan det ses, at rimelig kontrol af den svovl-elektrokemiske reaktionsproces er den eneste måde at forbedre ydeevnen af lithium-svovl-batterier på. Hvordan man opnår effektiv styring og forbedring af svovlelektrokemi afhænger af målrettet design, udvikling og anvendelse af avancerede funktionelle materialer. Blandt dem er den mest repræsentative strategi at udvikle funktionelle materialer med ledende, adsorptions- og katalytiske egenskaber som svovlkatodeværter eller modificerede separatorer. Gennem dets fysiske og kemiske interaktion med lithiumpolysulfid er det aktive materiale begrænset til det positive elektrodeområde, hvilket hæmmer opløsning og diffusion og fremmer dets elektrokemiske omdannelse. Derved lindre shuttle-effekten og forbedre batteriets energieffektivitet og cyklusstabilitet [13,14]. Ud fra denne idé har forskere udviklet forskellige typer funktionelle materialer på en målrettet måde, herunder kulstofmaterialer, ledende polymerer, organiske metalskeletter, metaloxider/sulfider/nitrider osv. Der er opnået gode resultater [15,16,17, 18,19].
2 Anvendelse af bor-baserede materialer i lithium-svovl-batterier
Bor er det mindste metalloide element. Dens lille atomradius og store elektronegativitet gør det nemt at danne metalliske kovalente forbindelser. Boratomer har en typisk elektronmangelstruktur, og deres valenselektronkonfiguration er 2s22p1. De kan dele en eller flere elektroner med andre atomer gennem forskellige hybridiseringsformer for at danne multicenterbindinger [20,21]. Disse egenskaber gør boridstrukturen meget justerbar, udviser unikke og rige kemiske og fysiske egenskaber og kan bruges i vid udstrækning inden for mange områder såsom let industri, byggematerialer, nationalt forsvar, energi osv. [22,23]. Til sammenligning er forskningen i bor-baserede materialer i lithium-svovl-batterier stadig i sin vorden. I de senere år er nanoteknologi og karakteriseringsmetoder fortsat med at udvikle sig, og de strukturelle egenskaber af borbaserede materialer er løbende blevet undersøgt og udviklet, hvilket gør deres målrettede forskning og anvendelse i lithium-svovlsystemer også begyndt at dukke op. I lyset af dette fokuserer denne artikel på typiske bor-baserede materialer såsom borophen, boratom-doteret kulstof, metalborider og ikke-metalborider. Denne artikel gennemgår de seneste forskningsfremskridt inden for lithium-svovl-batterier, opsummerer eksisterende problemer og ser frem til fremtidige udviklingsretninger.
2.1 Borene
Som en meget repræsentativ allotrop blandt borelementer har borophen en enkeltatom-tyk todimensionel struktur, der ligner grafen. Sammenlignet med bulkborelement viser det overlegne elektriske, mekaniske og termiske egenskaber og er en stigende stjerne i todimensionelle materialer [24]. Baseret på topologiske forskelle i arrangementet af boratomer har borophen rige krystalstrukturer og elektroniske egenskaber såvel som anisotrope ledende egenskaber. Som det kan ses af figur 2(a, b), har elektroner i borophen tendens til at være koncentreret på toppen af boratomer, og disse elektronpolarisationsområder har højere bindingsaktivitet. Det forventes at give gode kemiske adsorptionssteder for polysulfider i lithium-svovl batterisystemer [25]. Samtidig har borophenfilmen god elektrisk ledningsevne og fysisk og kemisk stabilitet, så den har et godt anvendelsespotentiale i lithium-svovlbatterier.
Fig. 2 (a) Strukturelle modeller af forskellige borophener og deres tilsvarende ladningstæthedsfordelinger, (b) adsorptionsenergier af polysulfider på forskellige borophener[25]
Jiang et al. [26] fandt gennem teoretiske beregninger, at borophen viser stærk adsorptionskapacitet for lithiumpolysulfid. Imidlertid kan denne stærke vekselvirkning også let udløse nedbrydning af Li-S klynger, hvilket resulterer i tab af svovl, det aktive materiale. Til sammenligning adsorberer overfladen af borophen med en iboende defektstruktur lithiumpolysulfid mere skånsomt [27], hvilket gør det muligt at begrænse shuttle-adfærden og samtidig undgå nedbrydning og ødelæggelse af ringstrukturen. Det forventes at blive et mere egnet lithiumpolysulfidadsorptionsmateriale. Samtidig viser energibåndanalyseresultaterne af borophen-lithium polysulfid adsorptionsstrukturen, at adsorptionsklyngerne er metalliske, hvilket hovedsageligt skyldes borets iboende metalliske egenskaber og dets stærke elektroakustiske koblingsstyrke. Det forventes at hjælpe den elektrokemiske omdannelsesproces af svovl til at opnå bedre reaktionskinetik [28]. Derudover har Grixti et al. [29] simulerede diffusionsprocessen af lithiumpolysulfidmolekyler på overfladen af 12-boren. Det blev fundet, at 12-boren viste stærk adsorption til en række lithiumpolysulfider. De laveste diffusionsenergibarrierer for Li2S6- og Li2S4-molekyler i lænestolsretningen er henholdsvis 0.99 og 0.61 eV, hvilket er lettere end diffusionen i zigzag-retningen. Takket være sin gode adsorptionskapacitet og moderate diffusionsenergibarriere betragtes 12-boren som et fremragende lithiumpolysulfidadsorptionsmateriale, som forventes at undertrykke shuttle-effekten i lithium-svovl-batterier og forbedre reversibiliteten af svovlelektrokemiske reaktioner.
Imidlertid forbliver det meste af den nuværende forskning om borfortynding i lithium-svovl-batterier stadig på det teoretiske forudsigelsesstadium, og eksperimentelle bekræftelser rapporteres sjældent. Dette skyldes hovedsageligt vanskeligheden ved at fremstille fortyndet bor. Eksistensen af bor blev forudsagt i 1990'erne, men det blev faktisk først forberedt i 2015 [30]. En del af årsagen kan være, at bor kun har tre valenselektroner og skal danne en rammestruktur for at kompensere for de manglende elektroner, hvilket gør det lettere at danne en 3D frem for en 2D-struktur. På nuværende tidspunkt er fremstillingen af bor normalt afhængig af teknologier som molekylær stråleepitaxi og højvakuum, høj temperatur og andre forhold, og syntesetærsklen er høj [31]. Derfor er det nødvendigt at udvikle en enklere og mere effektiv borfortyndet syntesemetode og yderligere eksperimentelt udforske og demonstrere dens virkning og relaterede mekanismer i lithium-svovl-batterier.
2.2 Boratomer dopet kulstof
Kemisk dopede kulstofmaterialer er varme materialer inden for ny energiforskning. Passende elementdoping kan bevare fordelene ved kulstofmaterialer såsom letvægt og høj ledningsevne, samtidig med at de giver dem yderligere fysiske og kemiske egenskaber til at tilpasse sig forskellige anvendelsesscenarier [32,33]. Kemisk dopede kulstofmaterialer er blevet undersøgt i vid udstrækning i lithium-svovlbatterier [34,35], blandt hvilke doping med stærkt elektronegative atomer såsom nitrogenatomer er mere almindelig. I modsætning hertil har bor en elektronmangel struktur og er mindre elektronegativ end kulstof. Det bliver elektropositivt efter at være blevet inkorporeret i kulstofgitteret. Det forventes at danne en god adsorptionseffekt på negativt ladede polysulfidanioner og derved afhjælpe shuttle-effekten [36,37].
Yang et al. [38] brugte bor-doteret porøst kulstof som svovlkatodeværtsmateriale og fandt ud af, at borodoping ikke kun forbedrede den elektroniske ledningsevne af kulstofmaterialet, men også inducerede positiv polarisering af kulstofmatrixen. Negativt ladede polysulfidioner adsorberes og forankres effektivt gennem elektrostatisk adsorption og Lewis-interaktion, hvorved deres opløsning og diffusion hæmmes (figur 3(a, b)). Derfor udviser svovlkatoden baseret på bor-doteret porøst carbon højere initial kapacitet og mere stabil cyklusydelse end rene carbon- og nitrogen-dopede prøver. Xu et al. [39] opnåede bor atom-doteret kulstof nanorør/svovl komposit katode materiale (BUCNTs/S) gennem en hydrotermisk one-pot metode. Væskefase in-situ syntese gør svovl mere ensartet fordelt i kompositten, mens bor-doping giver det kulstofbaserede værtsmateriale højere elektrisk ledningsevne og stærkere svovlfikserende evne. Den resulterende BUCNTs/S-elektrode opnåede en initial kapacitet på 1251 mAh∙g-1 ved 0.2C og kunne stadig opretholde en kapacitet på 750 mAh∙g-1 efter 400 cyklusser. Ud over svovlkatodeværter spiller bor-doterede kulstofmaterialer også en vigtig rolle i designet af batterifunktionelle separatorer. Han et al. [40] belagt letvægts boron-doteret grafen på en traditionel separator for at konstruere et funktionelt modifikationslag ved at bruge dets adsorption og genbrug af polysulfider til effektivt at lindre shuttle-effekten og forbedre udnyttelsesgraden af aktive materialer.
Fig. 3 (a) Skema af B-doteret carbon-rygrad, (b) S2p XPS-spektre af svovlkompositter baseret på forskelligt element-doteret porøst carbon; og (c) skema for ladnings-afladningsproces for NBCGN/S-komposit, (d) cykling ved 0.2C og (e) hastighedsydelser af svovlelektroder baseret på forskellige element-dopede buede grafen nanobånd[44]
I lyset af de grundlæggende egenskaber af forskellige dopingelementer og deres forskellige virkemåder i kulstofgitterstrukturen er multi-element co-doping en af de vigtige strategier til at regulere overfladekemien af kulstofmaterialer og forbedre svovlelektrokemiske reaktioner [41, 42, 43]. I denne henseende syntetiserede Kuangs forskningsgruppe [44] nitrogen og bor co-doterede grafen nanoribbons (NBCGN'er) for første gang gennem en hydrotermisk metode som værtsmateriale for svovlkatoden, som vist i figur 3(c). Undersøgelsen fandt, at den synergistiske effekt af nitrogen- og bor-co-doping ikke kun inducerer NBCGN'er til at opnå større specifikt overfladeareal, porevolumen og højere ledningsevne, men hjælper også til ensartet fordeling af svovl i katoden. Endnu vigtigere er det, at bor og nitrogen fungerer som elektronmangelfulde og elektronrige centre i det co-doterede system. Det kan bindes med henholdsvis Sx2- og Li+ gennem Lewis-interaktioner, hvorved lithiumpolysulfid adsorberes mere effektivt og væsentligt forbedrer batteriets cyklus- og hastighedsydelse (figur 3(d, e)). Baseret på lignende dopingstrategier af høj- og lavelektronegativitetselementer. Jin et al. [45] fremstillede bor og oxygen co-doterede flervæggede kulstof nanorør værtsmaterialer ved hjælp af borsyre som et dopingmiddel. Det resulterende batteri bevarer stadig en specifik kapacitet på 937 mAh∙g-1 efter 100 cyklusser, hvilket er væsentligt bedre end batteriets ydeevne baseret på almindelige kulstofrør (428 mAh∙g-1). Derudover har forskere også prøvet andre former for co-doping. Inklusive borosilikat co-doteret grafen [46], koboltmetal og born nitrogen co-doteret grafen [47] osv., har effektivt forbedret batteriets ydeevne. Den synergistiske effekt af de co-doterede komponenter spiller en afgørende rolle for at forbedre den elektrokemiske svovlreaktion.
Borelementdoping kan effektivt forbedre den iboende ledningsevne og overfladekemiske polaritet af kulstofmaterialer, styrke kemisk adsorption og hæmme lithiumpolysulfids pendlingsadfærd og derved forbedre svovlelektrokemisk reaktionskinetik og stabilitet og forbedre batteriets ydeevne. På trods af dette er der stadig mange problemer i forskningen af bor-doterede kulstofmaterialer i lithium-svovl-batterier, som skal udforskes og analyseres yderligere. For eksempel indflydelsen af bor-dopingmængde og dopingkonfiguration på ledningsevnen, overfladeladningsfordelingen og adsorptionsadfærden af lithiumpolysulfid af kulstofmaterialer. Samtidig afhænger hvordan man opnår kulstofmaterialer med høje boron-dopingniveauer, og hvordan man præcist kontrollerer dopingkonfigurationen, alt sammen af udviklingen af avancerede forberedelsesmetoder og teknologier. For multi-element co-dopede systemer skal der desuden stadig undersøges mere egnede kombinationer af dopingelementer. Etabler et systematisk struktur-aktivitetsforhold for at tydeliggøre den synergistiske effektmekanisme af den co-doterede struktur og dens indvirkning på tilstanden og intensiteten af vært-gæst-interaktioner i svovlelektrokemi.
2.3 Metalborider
Metalforbindelser har altid været et forskningshotspot for funktionelle materialer i lithium-svovlbatterier på grund af deres iboende kemiske polaritetskarakteristika og gode morfologiske og strukturelle plasticitet. Det er forskelligt fra almindelige metaloxider, sulfider, nitrider og andre ioniske forbindelser. Metalborider er normalt sammensat af bor og metalelementer baseret på kovalente bindinger, og deres fyldte struktur arver en del af metalliciteten. Det udviser meget højere ledningsevne end andre metalforbindelser (Figur 4) [48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56], og kan give en hurtig tilførsel af elektroner til elektrokemiske reaktioner [57]. Samtidig er der en lokal begrænset polær ionbindingsstruktur mellem metal og bor, som kan give gode adsorptionssteder for polysulfider [58,59]. Desuden svækkes stabiliteten af stærkt elektronegativ bor efter legering med overgangsmetaller, og det er lettere at deltage i redoxreaktioner. Dette gør det muligt for metalborider at deltage i lithium-svovl elektrokemiske reaktioner gennem overfladereaktioner som en mediator [60].
Fig. 4 Konduktivitetssammenligning med flere kategorier af metalforbindelser[48,49,50,51,52,53,54,55,56]
Guan et al. [61] fremstillede et værtsmateriale til svovlkatoder ved at lade amorfe Co2B-nanopartikler på grafen ved hjælp af en væskefasereduktionsmetode. Undersøgelser har fundet ud af, at både bor og kobolt kan tjene som adsorptionssteder til kemisk forankring af lithiumpolysulfid og derved hæmme dets opløsning og migration. Sammen med grafens fremragende langrækkende ledningsevne har batteriet stadig en afladningsspecifik kapacitet på 758 mAh·g-1 efter 450 cyklusser ved 1C-hastighed, og kapacitetsnedbrydningshastigheden pr. cyklus er { {26}}.029 %, viser fremragende cyklusydelse. Baseret på en lignende synergistisk adsorptionseffekt har Co2B@CNT-kompositmaterialet, der bruges som en funktionel separator for lithium-svovl-batterier, en adsorptionskapacitet på Li2S6 så høj som 11,67 mg∙m-2 [62], som kan blokerer effektivt diffusionen og penetrationen af polysulfider og opnår formålet med at hæmme shuttle-effekten. På dette grundlag har Guan et al. [63] brugte yderligere todimensionelt metalcarbid (MXene) som en bærer til fremstilling af et Co2B@MXene heterojunction-kompositmateriale (figur 5(a~d)). Gennem teoretiske beregninger blev det fundet, at den elektroniske interaktion ved heterojunction-grænsefladen fører til overførsel af elektroner fra Co2B til MXene. Denne effekt forbedrer adsorptionen og den katalytiske evne af Co2B for polysulfider (figur 5(a, b)). Derfor er kapacitetsfadinghastigheden for batteriet baseret på Co2B@MXene funktionelt modificeret separator i løbet af 2000 cyklusser kun 0,0088% pr. cyklus. Og ved en svovlbelastning på 5,1 mg∙cm-2 er den specifikke kapacitet stadig så høj som 5,2 mAh∙cm-2 (figur 5(c,d)). Det skal bemærkes, at sammenlignet med krystallinske fasestrukturer er denne type metalboridmaterialer i amorf fase mere skånsomme og enklere i materialefremstilling. Kontrollerbarheden og stabiliteten af dens atomare og molekylære struktur er imidlertid relativt dårlig, hvilket udgør en stor hindring for at afklare dens komponenter og mikrostruktur og udforske dens indflydelsesmekanisme på den svovlelektrokemiske reaktionsproces.
Fig. 5 (a) Li2S4-adsorptionskonfigurationer på Co2B- og Co2B@MXene-overflader, (b) skema for elektronomfordelingen ved grænsefladerne mellem Co2B og MXene, (c) cykliske præstationer af celler baseret på Co2B@MXene og andre separatorer, ( d) langsigtet cykelydelse af Co2B@MXene-cellen[63]; (e) skematisk illustration af overfladekemisk indeslutning af polysulfider på TiB2, (f) adsorptionskonfigurationer og (g) energier af svovlarter på (001) og (111) overflader af TiB2, (h) højbelastningsevne og (i) ) langsigtet cyklus af TiB2-baseret svovlelektrode[63,65]
TiB2 er en klassisk metalborid med fremragende elektrisk ledningsevne (~106 S∙cm-1) og er meget udbredt inden for områder som ledende keramik, præcisionsbearbejdning og elektrokemiske enheder. TiB2 har en typisk sekskantet struktur og har høj hårdhed og strukturel elasticitet, som hjælper med at tilpasse sig volumenændringen af svovlreaktionen. Samtidig forventes det store antal umættede strukturer på dens overflade at danne en stærk grænsefladekemisk interaktion med lithiumpolysulfid [64], og derved opnå gode adsorptions- og indeslutningseffekter. Li et al. [65] rapporterede først, at TiB2 blev brugt som værtsmateriale til svovlkatoder. Som vist i figur 5(f.eks.) er overfladen af TiB2 delvist sulfuriseret under den termiske blandingsproces med S. Det lithiumpolysulfid, der produceres under reaktionen, adsorberes effektivt gennem van der Waals-kræfter og Lewis-syre-base-interaktioner, og virkningen af denne mekanisme er mere signifikant på (001) overfladen. Den opnåede svovlkatode opnåede en stabil cyklus på 500 cyklusser ved 1C hastighed, og på samme tid bibeholdt den specifikke kapacitet stadig 3,3 mAh∙cm-2 efter 100 cyklusser ved en svovlbelastning på 3,9 mg∙cm{{19 }}. viste god elektrokemisk ydeevne (figur 5(h, i)). Baseret på resultaterne af XPS-analyse og teoretiske beregninger, bør den fremragende lithiumpolysulfid-adsorptionseffekt af TiB2 tilskrives dets overflade-"passiverings"-mekanisme. Derudover sammenlignede Lus forskningsgruppe [66] adsorptionseffekterne af TiB2, TiC og TiO2 på lithiumpolysulfid og udforskede konkurrencemekanismen mellem den tilsvarende kemiske adsorption og solvatiseringsdesorption. Resultaterne viser, at bor med lavere elektronegativitet gør, at TiB2 har stærkere adsorptionskapacitet, og kombineret med etherelektrolyt med svag solvatiseringskapacitet kan det effektivt forbedre svovludnyttelsen og forbedre reversibiliteten af elektrokemiske reaktioner. I lyset af dette er TiB2 også blevet brugt til at konstruere multifunktionelle separatorer [67], som effektivt adsorberer, forankrer og genbruger aktive materialer, hvilket væsentligt forbedrer battericyklusstabiliteten. Kapaciteten kan opretholde 85 % af startværdien efter 300 cyklusser ved 0,5C.
I lighed med TiB2 har MoB god ledningsevne, og dens iboende todimensionelle struktur er befordrende for fuldstændigt at eksponere adsorptionsstederne og forventes at blive en god svovlkatodekatalysator [68]. Manthiram-forskningsgruppen ved University of Texas i Austin [69] brugte Sn som et reduktionsmiddel og syntetiserede MoB-nanopartikler gennem en fastfasemetode, som viste gode adsorptions- og katalytiske evner for lithiumpolysulfid. MoB har en høj elektronisk ledningsevne (1,7×105 S∙m-1), som kan give en hurtig tilførsel af elektroner til svovlreaktioner; samtidig er MoB's hydrofile overfladeegenskaber befordrende for elektrolytbefugtning og hjælper den hurtige transport af lithiumioner. Dette sikrer udnyttelsen af aktive materialer under magre elektrolytforhold; desuden kan MoB i nanostørrelse fuldt ud blotlægge de katalytiske aktive steder induceret af elektronmangelfulde boratomer, hvilket tillader materialet at have både fremragende iboende og tilsyneladende katalytisk aktivitet. Baseret på disse fordele, selvom MoB tilsættes i en lille mængde, kan det forbedre den elektrokemiske ydeevne betydeligt og vise betydelig praktisk. Det resulterende batteri har en kapacitetsdæmpning på kun 0,03 % pr. cyklus efter 1,000 cyklusser med en 1C-hastighed. Og ved en svovlbelastning på 3,5 mg∙cm-2 og et elektrolyt/svovlforhold (E/S) på 4,5 mL∙g-1 blev der opnået fremragende battericyklusydeevne i blød pakke. Derudover brugte Nazar-forskningsgruppen [70] letvægts MgB2 som det elektrokemiske omdannelsesmedium til lithiumpolysulfid. Det blev fundet, at både B og Mg kan tjene som adsorptionssteder for polysulfidanioner, styrke elektronoverførsel og opnå bedre cyklusstabilitet ved høj svovlbelastning (9,3 mg∙cm-2).
Disse værker illustrerer fuldt ud effektiviteten og overlegenheden af metalborider til at forbedre svovlelektrokemiske reaktioner. Men sammenlignet med systemer som metaloxider og sulfider er der stadig relativt få forskningsrapporter om metalborider i lithium-svovl-batterier, og forskning i materialer og relaterede mekanismer skal også udvides og uddybes. Derudover har krystallinske metalborider normalt høj strukturel styrke, og forberedelsesprocessen kræver at krydse høje energibarrierer og involvere høj temperatur, højt tryk og andre barske forhold, hvilket begrænser deres forskning og anvendelse. Derfor er udviklingen af enkle, milde og effektive metalboridsyntesemetoder også en vigtig retning i metalboridforskning.
2.4 Ikke-metalborider
Sammenlignet med metalborider er ikke-metalborider normalt mindre tætte og lettere, hvilket er gavnligt for udviklingen af batterier med høj energitæthed; deres lavere ledningsevne skaber imidlertid modstand mod effektiviteten og kinetikken af svovlelektrokemiske reaktioner. På nuværende tidspunkt har forskere gjort visse fremskridt med at konstruere svovlfikserende materialer til lithium-svovlbatterier baseret på ikke-metalborider, herunder bornitrid, borcarbid, borphosphid og borsulfid [71, 72, 73].
Bornitrid (BN) og borcarbid (BC) er de to mest repræsentative og bredt undersøgte ikke-metalborider. BN er sammensat af nitrogenatomer og boratomer, der skiftevis er forbundet, og omfatter hovedsageligt fire krystalformer: sekskantet, trigonalt, kubisk og leurit [74]. Blandt dem udviser hexagonal bornitrid (h-BN) karakteristika såsom bred båndgab, høj termisk ledningsevne og god termisk og kemisk stabilitet på grund af dets grafitlignende todimensionelle struktur og lokaliserede elektroniske polarisationsegenskaber [75,76]. BN-strukturen har tydelige polære karakteristika og har en stærk kemisk adsorptionskapacitet for lithiumpolysulfid. Samtidig kan overfladens kemiske egenskaber kontrolleres gennem elementdoping og topologisk defektkonstruktion for at sikre stabiliteten af polysulfid-molekylstrukturen, mens dens adsorptionsstyrke forbedres [77]. Baseret på denne idé, Yi et al. [78] rapporterede et nitrogenfattigt fålags bornitrid (v-BN) som værtsmateriale for svovlkatoder (figur 6(a)). Undersøgelser har fundet ud af, at de elektropositive ledige stillinger i v-BN ikke kun hjælper med at fiksere og transformere polysulfider, men også accelererer diffusionen og migrationen af lithiumioner. Sammenlignet med original BN har den v-BN-baserede katode en højere initial kapacitet ved 0.1C (1262 vs 775 mAh∙g-1) og kapacitetsnedbrydningshastigheden efter 5{{24} }0 cyklusser ved 1C er kun 0,084% pr. cyklus. Udviser god cykelstabilitet. Derudover har He et al. [79] fandt, at O-doping yderligere kan forbedre den kemiske polaritet af BN-overfladen, få materialet til at danne et større specifikt overfladeareal og samtidig forbedre de iboende og tilsyneladende adsorptionsegenskaber.
Fig. 6 (a) TEM-billede og skematisk atomstruktur af v-BN[78]; (b) Skema af g-C3N4/BN/grafen komposit ion-sigte og (c) den tilsvarende Li-S celle cyklus ydeevne[80]; (d) Skematisk og optisk billede af BN/Celgard/carbon trelagsseparator, og (e) den tilsvarende cellecyklusydelse[83]; (f) Skema og (g) SEM-billede af B4C@CNF og modellen af B4C nanotråd, (h) Li2S4-adsorptionsenergier på forskellige facetter af B4C[87]
Selvom BN-materiale har gode kemiske adsorptionsegenskaber, er dets egen dårlige ledningsevne ikke befordrende for reaktiv ladningsoverførsel. Derfor er design af kompositstrukturer med ledende materialer en vigtig måde at forbedre deres omfattende adsorption og katalytiske ydeevne yderligere på. I lyset af dette har Deng et al. [80] designede en sammensat ion-sigte baseret på grafitlignende carbonnitrid (g-C3N4), BN og grafen som et multifunktionelt mellemlag til lithium-svovl-batterier (figur 6(b)). Blandt dem kan de ordnede ionkanaler i 0.3 nm-størrelse i g-C3N4-strukturen effektivt blokere polysulfider og tillade lithiumioner at passere igennem. BN fungerer som en reaktionskatalysator for at fremme omdannelsen af polysulfider, og grafen fungerer som en indbygget strømaftager for at give fremragende langrækkende ledningsevne. . Takket være den synergistiske effekt af disse tre todimensionelle komponenter kan det resulterende batteri stabilt cykle i mere end 500 cyklusser ved en høj svovlbelastning på 6 mg∙cm-2 og en hastighed på 1C (Figur 6(c)). Derudover har forskere forsøgt at påføre et tyndt lag af BN nanosheet/grafen-kompositfilm på overfladen af katoden som et beskyttende lag i en enklere og mere direkte form [81,82]. Det hæmmer effektivt opløsningen og diffusionen af lithiumpolysulfid og forbedrer den specifikke kapacitet og cyklusstabiliteten af svovlkatoden betydeligt. I løbet af 1000 cyklusser ved 3C er kapacitetsdæmpningshastigheden kun 0,0037% pr. cyklus. Interessant nok tog Ungyu Paik-forskningsgruppen ved Hanyang University [83] en anden kombination af ideer til at konstruere en multifunktionel separator med en BN/Celgard/carbon sandwich-struktur. Som vist i figur 6(d) er det kulholdige lag og BN-laget henholdsvis coatet på de positive og negative elektrodesider af den almindelige separator. Blandt dem kan carbonlaget og BN-laget i fællesskab blokere skytten af lithiumpolysulfid og begrænse dets diffusion til overfladen af den negative elektrode. Samtidig begrænser BN-laget på den negative elektrodeside også væksten af lithiumdendritter. Takket være denne samarbejdsbeskyttelsesmekanisme har batteriet en høj kapacitetsretentionsrate (76,6%) og specifik kapacitet (780,7 mAh∙g-1) efter 250 cyklusser ved 0,5C. Betydeligt bedre end almindelige separatorer og rene kulstofmodificerede separatorer (Figur 6(e)).
Sammenlignet med N har C en lavere elektronegativitet, så elektronegativitetsforskellen mellem B og C er lille, hvilket resulterer i en svagere kemisk polaritet af BC-strukturen sammenlignet med NC. Men samtidig forbedres elektrondelokaliseringen i BC-strukturen, og ledningsevnen er bedre [84,85]. Derfor viser BC generelt relativt komplementære fysiske og kemiske egenskaber til BN. Den har lav densitet, relativt god ledningsevne og gode katalytiske egenskaber og har lovende anvendelsesmuligheder på energiområdet [86]. Luo et al. [87] dyrkede borcarbid nanotråde (B4C@CNF) in situ på kulfibre som katodeværtsmateriale (figur 6(f~h)). Blandt dem adsorberer og begrænser B4C effektivt polysulfider gennem BS-binding. Samtidig hjælper dets ledende kulfibernetværk det adsorberede svovl med at blive hurtigt omdannet og forbedrer reaktionskinetikken. Den opnåede svovlkatode har en kapacitetsretention på 80% efter 500 cyklusser og kan opnå stabil cyklus under højt svovlindhold (massefraktion 70%) og belastningskapacitet (10,3 mg∙cm{ {16}}). Song et al. [88] konstruerede en superbegrænset svovlværtsstruktur omkring B4C. Strukturen bruger aktiveret porøst bomuldsstofkul som den fleksible matrix, B4C nanofibre som det aktive skelet og reduceret grafenoxid til yderligere belægning. Kombinerer effektivt fysisk og kemisk indeslutning, lindrer tabet af aktive stoffer og opnår fremragende cyklusstabilitet. I lyset af B4C's gode adsorption og katalytiske egenskaber fordelte Zhaos forskningsgruppe [89] ensartet B4C-nanopartikler i kulfiberstof gennem en in-situ katalytisk-assisteret vækstmetode for effektivt at sprede og eksponere aktive steder. Den opnåede svovlkatode har en startkapacitet på op til 1415 mAh∙g-1 (0,1C) ved en belastning på 3,0 mg∙cm-2 og en ultralang levetid på 3000 cyklusser ved 1C, hvilket viser gode ansøgningsmuligheder.
Det kan ses af ovenstående, at ikke-metalborid har en god adsorption og katalytisk virkning på lithiumpolysulfid, men dets ledningsevne er relativt lav, og der er stadig behov for en ledende bærer for at hjælpe den elektrokemiske svovlreaktion. Blandt dem gør forskellen i den elektroniske struktur af tilstødende N- og C-atomer, at BN- og BC-materialer har deres egne fordele og ulemper med hensyn til ledningsevne og interaktion med lithiumpolysulfid. I lyset af dette, kombineret med borsulfid, borphosphid, boroxid osv., kan denne type ikke-metalborid bruges som en god bærer og platform til at studere struktur-aktivitetsforholdet mellem lokal kemisk polær struktur og adsorptionskatalytikum evne. Det forventes, at yderligere systematisk korrelation og analyse vil hjælpe med at forstå de relevante mikroskopiske reaktionsprocesser, regulere den fine struktur af materialer og forbedre batteriernes elektrokemiske ydeevne. Derudover skal den videre anvendelse og udvikling af ikke-metalborider i lithium-svovlbatterier stadig være afhængig af forbedring og optimering af deres fremstilling. Udvikle enkle og milde præparationsteknologier, mens du udvikler materialestrukturer med højere indre ledningsevne og designer mere effektive kompositmaterialer til at balancere og tage højde for ledningsevne, adsorption og katalytiske effekter.
3 Konklusion
Sammenfattende har lithium-svovlbatterier høj teoretisk energitæthed på grund af deres multi-elektronoverførselsreaktioner. Imidlertid hindrer deres omdannelsesreaktionsmekanisme og den iboende svage ledningsevne af de aktive materialer realiseringen af fordelene. Bor-baserede materialer har unikke fysiske og kemiske egenskaber og elektrokemiske egenskaber. Deres målrettede design og rationelle anvendelse er effektive måder til at lindre shuttle-effekten af lithium-svovl-batterier og forbedre reaktionskinetik og reversibilitet. De har udviklet sig hurtigt i de senere år. Forskningen og anvendelsen af bor-baserede materialer i lithium-svovl-batterier er dog stadig i sin vorden, og materialestrukturdesignet og dets virkningsmekanisme på batteriets elektrokemiske reaktionsproces skal videreudvikles og udforskes. Ved at kombinere materialeegenskaberne og ovennævnte forskningsfremskridt mener forfatteren, at den fremtidige udvikling af borbaserede materialer i lithium-svovlbatterier bør være mere opmærksomme på følgende retninger:
1) Materialesyntese. Syntetisk præparation er et almindeligt problem, som de ovennævnte bor-baserede materialer står over for. Der er et presserende behov for at udvikle enklere, mildere og mere effektive materialeforberedelsesmetoder for at give et materielt grundlag for mekanismeforskning og anvendelsesfremme. Blandt dem er fremstillingen af amorfe metalborider ved væskefasereduktionsmetode en lovende udviklingsretning. Samtidig kan det ved at trække på dets fordele og erfaring, udforske og udvikle syntetiske ruter baseret på solvotermiske eller smeltede saltmetoder også give nye ideer til fremstilling af borbaserede materialer. Derudover skal der under fremstillingsprocessen af borid lægges særlig vægt på kontrol og design af nanostruktur og dens stabilitet for at imødekomme behovene for grænsefladereaktionsegenskaberne for lithium-svovlbatterier.
2) Mekanismeudforskning. Bor-baserede materialer har unikke og rige overfladekemiske egenskaber. In-situ karakteriseringsmetoder bør anvendes til yderligere at studere vært-gæst-interaktioner mellem bor-baserede materialer og polysulfider. Der bør lægges særlig vægt på overflade irreversibel sulfatering, selvelektrokemisk oxidation og reduktion osv., for at afsløre de afgørende strukturelle faktorer for dets adsorption og katalytiske evner, og for at give teoretisk vejledning og grundlag for målrettet design og udvikling af materialer. Derudover er det for de repræsentative amorfe metalborider nødvendigt at være særlig opmærksom på forskellene i mikrostruktur og relaterede fysiske og kemiske egenskaber mellem amorfe og krystallinske borider og samarbejde med udviklingen af tilsvarende strukturanalyse- og egenskabskarakteriseringsanalyseteknologier. Undgå at udlede interaktionen mellem amorfe materialer, lithiumpolysulfid og dets reaktionsproces udelukkende baseret på den krystallinske struktur.
3) Præstationsevaluering. For at optimere materiale- og batterievalueringssystemet, samtidig med at svovloverfladebelastningen øges, bør der lægges mere vægt på at regulere nøgleparametre som elektrodens tykkelse og porøsitet for samtidig at forbedre elektrodens kvalitet og volumetriske energitæthed. Derudover er de elektrokemiske egenskaber under forhold med lav elektrolytdosering (E/S<5 mL∙g-1S) and low negative/positive electrode capacity ratio (N/P<2) were further investigated. At the same time, we explore the amplification effect and related scientific and engineering issues from laboratory button cells to actual production of cylindrical or flexible packaging batteries, and make a reasonable and comprehensive assessment of the performance competitiveness of the battery level. Provide guidance and reference for the commercial development of lithium-sulfur batteries.
Sammenfattende fokuserer denne artikel på bor-baserede materialer og gennemgår de seneste forskningsfremskridt for borophen, boratom-doteret kulstof, metalborider og ikke-metalborider i lithium-svovl batterisystemer. Jeg håber, det kan give reference og inspiration til kolleger, udvide udviklingen og anvendelsen af borbaserede materialer inden for ny energi og fremme den praktiske udvikling af lithium-svovl-batterier.
Referencer
[1] DUNN B, KAMATH H, TARASCON J M. Elektrisk energilagring til nettet: et batteri af valgmuligheder. Science, 2011,334(6058):928-935.
[2] ARICO AS, BRUCE P, SCROSATI B, et al. Nanostrukturerede materialer til avancerede energikonverterings- og lagringsenheder. Nature Materials, 2005,4(5):366-377.
[3] LIANG YR, ZHAO CZ, YUAN H, et al. En gennemgang af genopladelige batterier til bærbare elektroniske enheder. InfoMat, 2019,1(1):6-32.
[4] GOODENOUGH JB, PARK K S. Det genopladelige Li-ion-batteri: et perspektiv. Journal of the American Chemical Society, 2013,135(4):1167-1176.
[5] TARASCON JM, ARMAND M. Problemer og udfordringer, som genopladelige lithium-batterier står over for. Nature, 2011,414:171-179.
[6] JIN GY, HE HC, WU J, et al. Kobolt-doteret hule kulstoframme som svovlvært for katoden af lithiumsvovlbatteri. Journal of Inorganic Materials, 2021,36(2):203-209.
[7] FANG R, ZHAO SY, SUN ZH, et al. Mere pålidelige lithium-svovl-batterier: tatus, løsninger og udsigter. Avancerede materialer, 2017,29(48):1606823.
[8] HU JJ, LI GR, GAO X P. Nuværende status, problemer og udfordringer i lithium-svovl-batterier. Journal of Inorganic Materials, 2013,28(11):1181-1186.
[9] LI GR, WANG S, ZHANG YN, et al. Gensyn med polysulfiders rolle i lithium-svovl-batterier. Avancerede materialer, 2018,30(22):1705590.
[10] PENG HJ, HUANG JQ, ZHANG Q. En gennemgang af fleksible lithium-svovl og analoge alkalimetal-chalcogen genopladelige batterier. Chemical Society Reviews, 2017,46(17):5237-5288.
[11] JANA M, XU R, CHENG XB, et al. Rationelt design af todimensionelle nanomaterialer til lithium-svovlbatterier. Energy & Environmental Science, 2020,13(4):1049-1075.
[12] HE JR, MANTHIRAM A. En gennemgang af status og udfordringer for elektrokatalysatorer i lithium-svovl-batterier. Energilagringsmaterialer, 2019,20:55-70.
[13] SEH ZW, SUN YM, ZHANG QF, et al. Design af højenergi-lithium-svovl-batterier. Chemical Society Reviews, 2016,45(20):5605-5634.
[14] JI XL, EVERS S, BLACK R, et al. Stabilisering af lithium-svovl katoder ved hjælp af polysulfid reservoirer. Nature Communications, 2011,2:325.
[15] ZHANG Z, KONG LL, LIU S, et al. En højeffektiv svovl/kulstof-komposit baseret på 3D grafen nanosheet@carbon nanorør matrix som katode til lithium-svovl batteri. Avancerede energimaterialer, 2017,7(11):1602543.
[16] XU WC, PAN XX, MENG X, et al. Et ledende svovl-hosting-materiale, der involverer ultrafine vanadiumnitrid-nanopartikler til højtydende lithium-svovl-batteri. Electrochemica Acta, 2020,331:135287.
[17] LIU YT, LIU S, LI GR, et al. Svovlkatode med høj volumetrisk energitæthed med tung og katalytisk metaloxidvært til lithium-svovlbatteri. Advanced Science, 2020,7(12):1903693.
[18] CHEN HH, XIAO YW, CHEN C, et al. Konduktiv MOF-modificeret separator til afbødning af shuttle-effekten af lithium-svovlbatteri gennem en filtreringsmetode. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019,11(12):11459-11465.
[19] YOO J, CHO SJ, JUNG GY, et al. COF-net på CNT-net som en molekylært designet, hierarkisk porøs kemisk fælde for polysulfider i lithium-svovl batterier. Nano Letters, 2016,16(5):3292-3300.
[20] HU Y, LIU C. Introduktion af 1,2-migrering for organoborforbindelser. University Chemistry, 2019,34(12):39-44.
[21] SOREN KM, SUNING W. Bor-baserede stimuli responsive materialer. Chemical Society Reviews, 2019,48(13):3537-3549.
[22] HUANG ZG, WANG SN, DEWHURST RD, et al. Bor: dets rolle i energirelaterede processer og anvendelser. Angewandte Chemie International Edition, 2020,59(23):8800-8816.
[23] ZHU YH, GAO SM, HOSMANE N S. Borberigede avancerede energimaterialer. Inorganica Chimica Acta, 2017,471:577-586.
[24]KHAN K, TAREEN AK, ASLAM M, et al. Syntese, egenskaber og nye elektrokatalytiske anvendelser af 2D-borophen-xenerne. Fremskridt i faststofkemi, 2020,59:100283.
[25] RAO DW, LIU XJ, YANG H, et al. Grænsefladekonkurrence mellem en borophen-baseret katode og elektrolyt for multiple-sulfid immobilisering af et lithium svovl batteri. Journal of Materials Chemistry A, 2019,7(12):7092-7098.
[26] JIANG HR, SHYY W, LIU M, et al. Borophen og defekt borophen som potentielle forankringsmaterialer til lithium-svovlbatterier: en undersøgelse af første principper. Journal of Materials Chemistry A, 2018,6(5):2107-2114.
[27] ZHANG CY, HE Q, CHU W, et al. Overgangsmetaller dopet borophen-grafen heterostruktur til robust polysulfid forankring: en første principundersøgelse. Applied Surface Science, 2020,534:147575.
[28] ZHANG L, LIANG P, SHU HB, et al. Borophen som effektive svovlværter til lithium-svovl-batterier: undertrykker shuttle-effekten og forbedrer ledningsevnen. Journal of Physical Chemistry C, 2017,121(29):15549-15555.
[29] GRIXTI S, MUKHERJEE S, SINGH C V. Todimensionelt bor som et imponerende lithium-svovl batteri katodemateriale. Energilagringsmaterialer, 2018,13:80-87.
[30] MANNIX AJ, ZHOU XF, KIRALY B, et al. Syntese af borophener: anisotrope, todimensionelle borpolymorfer. Science, 2015,350(6267):1513-1516.
[31] FENG BJ, ZHANG J, ZHONG Q, et al. Eksperimentel realisering af todimensionelle borplader. Nature Chemistry, 2016,8(6):564-569.
[32] PARAKNOWITSCH JP, THOMAS A. Doping af kulstof ud over nitrogen: en oversigt over avancerede heteroatom-doterede kulstoffer med bor, svovl og fosfor til energianvendelser. Energy & Environmental Science, 2013,6(10):2839-2855.
[33] WANG HB, MAIYALAGAN T, WANG X. Gennemgang af de seneste fremskridt inden for nitrogen-doteret grafen: syntese, karakterisering og dets potentielle anvendelser. ACS Catalysis, 2012,2(5):781-794.
[34] XIE Y, MENG Z, CAI TW, et al. Effekt af boron-doping på den grafen aerogel, der bruges som katode til lithium svovlbatteriet. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015,7(45):25202-25210.
[35] SHI PC, WANG Y, LIANG X, et al. Samtidig eksfolierede bor-doterede grafenplader for at indkapsle svovl til anvendelse i lithium-svovl-batterier. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018,6(8):9661-9670.
[36] YANG LJ, JIANG SJ, ZHAO Y, et al. Bor-doterede kulstof nanorør som metalfri elektrokatalysatorer til oxygenreduktionsreaktionen. Angewandte Chemie International Edition, 2011,50(31):7132-7135.
[37] AI W, LI JW, DU ZZ, et al. Dobbelt indeslutning af polysulfider i bor-doteret porøs kulstofkugle/grafenhybrid til avancerede Li-S-batterier. Nano Research, 2018,11(9):4562-4573.
[38] YANG CP, YIN YX, YE H, et al. Indsigt i bor-dopings effekt på svovl/kulstofkatode i lithium-svovl-batterier. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014,6(11):8789-8795.
[39] XU CX, ZHOU HH, FU CP, et al. Hydrotermisk syntese af bor-doterede, udjævnede kulstofnanorør/svovlkomposit til højtydende lithium-svovl-batterier. Electrochemica Acta, 2017,232:156-163.
[40] HAN P, MANTHIRAM A. Bor- og nitrogen-doterede, reducerede grafenoxidbelagte separatorer til højtydende Li-S-batterier. Journal of Power Sources, 2017,369:87-94.
[41] HOU TZ, CHEN X, PENG HJ, et al. Designprincipper for heteroatom-doteret nanocarbon for at opnå stærk forankring af polysulfider til lithium-svovl-batterier. Small, 2016,12(24):3283-3291.
[42] XIONG DG, ZHANG Z, HUANG XY, et al. Forøgelse af polysulfidindeslutningen i B/N-codoteret hierarkisk porøse carbon nanoark via Lewis syre-base interaktion for stabile Li-S batterier. Journal of Energy Chemistry, 2020,51:90-100.
[43] YUAN SY, BAO JL, WANG LN, et al. Grafen-understøttet nitrogen- og borrigt kullag for forbedret ydeevne af lithium-svovl-batterier på grund af forbedret kemisorption af lithiumpolysulfider. Advanced Energy Materials, 2016,6(5):1501733.
[44] CHEN L, FENG JR, ZHOU HH, et al. Hydrotermisk fremstilling af nitrogen, bor co-doterede buede grafen nanobånd med høje mængder af doteringsmidler til højtydende lithium svovl batteri katoder. Journal of Materials Chemistry A, 2017,5(16):7403-7415.
[45] JIN CB, ZHANG WK, ZHUANG ZZ, et al. Forbedret sulfid kemisorption ved hjælp af bor og oxygen dobbelt doterede flervæggede kulstof nanorør til avancerede lithium-svovl batterier. Journal of Materials Chemistry A, 2017,5(2):632-640.
[46] ULLAH S, DENIS PA, SATO F. Usædvanlig forbedring af adsorptionsenergierne for natrium og kalium i svovl-nitrogen og silicium-bor codoperet grafen. ACS Omega, 2018,3(11):15821-15828.
[47] ZHANG Z, XIONG DG, SHAO AH, et al. Integrering af metallisk kobolt og N/B-heteroatomer i porøse kulstof-nanoark som effektiv svovl-immobilisator til lithium-svovl-batterier. Carbon, 2020,167:918-929.
[48] WANG P, KUMAR R, SANKARAN EM, et al. Vanadiumdiborid (VB2) syntetiseret ved højt tryk: elastiske, mekaniske, elektroniske og magnetiske egenskaber og termisk stabilitet. Inorganic Chemistry, 2018,57(3):1096-1105.
[49] HE GJ, LING M, HAN XY, et al. Selvstående elektroder med kerne-skal strukturer til højtydende superkondensatorer. Energilagringsmaterialer, 2017,9:119-125.
[50] WANG CC, AKBAR SA, CHEN W, et al. Elektriske egenskaber af højtemperaturoxider, borider, carbider og nitrider. Journal of Materials Science, 1995,30(7):1627-1641.
[51] XIAO ZB, YANG Z, ZHANG LJ, et al. Sandwich-type NbS2@S@I-doteret grafen til højsvovlbelastede, ultrahøjhastigheds- og langtidsholdbare lithiumsvovlbatterier. ACS Nano, 2017,11(8):8488-8498.
[52] WANG LJ, LIU FH, ZHAO BY, et al. Carbon nanobowls fyldt med MoS2 nanosheets som elektrodematerialer til superkondensatorer. ACS Applied Nano Materials, 2020,3(7):6448-6459.
[53] BALACH J, LINNEMANN J, JAUMANN T, et al. Metalbaserede nanostrukturerede materialer til avancerede lithium-svovl-batterier. Journal of Materials Chemistry A, 2018,6(46):23127-23168.
[54] BEN-DOR L, SHIMONY Y. Krystalstruktur, magnetisk følsomhed og elektrisk ledningsevne af ren og NiO-doteret MoO2 og WO2. Materials Research Bulletin, 1974,9(6):837-44.
[55] SAMSONOV G. 难熔化合物手册. 北京:中国工业出版社, 1965: 1-147.
[56] FENG LS, QUN CX, LIN MY, et al. Nb-baserede oxider som anodematerialer til lithium-ion-batterier. Progress in Chemistry, 2015,27(2/3):297-309.
[57] TAO Q, MA SL, CUI T, et al. Strukturer og egenskaber af funktionelle overgangsmetalborider. Acta Physica Sinica, 2017,66(3):036103.
[58] SHEN YF, XU C, HUANG M, et al. Forskningsfremskridt inden for borklynger, boran og metal-doterede borforbindelser. Progress in Chemistry, 2016,28(11):1601-1614.
[59] GUPTA S, PATEL MK, MIOTELLO A, et al. Metalborid-baserede katalysatorer til elektrokemisk vandspaltning: en gennemgang. Advanced Functional Materials, 2020,30(1):1906481.
[60] WU F, WU C. Nye sekundære batterier og deres nøglematerialer baseret på konceptet multi-elektron reaktion. Chinese Science Bulletin, 2014,59(27):3369-3376.
[61] GUAN B, FAN LS, WU X, et al. Den lette syntese og forbedrede lithium-svovl-batteriydelse af en amorf koboltborid (Co2B)@grafenkompositkatode. Journal of Materials Chemistry A, 2018,6(47):24045-24049.
[62] GUAN B, ZHANG Y, FAN LS, et al. Blokering af polysulfid med Co2B@CNT via "synergetisk adsorptiv effekt" mod ultrahøj kapacitet og robust lithium-svovl-batteri. ACS Nano, 2019,13(6):6742-6750.
[63] GUAN B, SUN X, ZHANG Y, et al. Opdagelsen af grænseflade elektronisk interaktion inden for koboltborid@MXene til højtydende lithium-svovl-batterier. Chinese Chemical Letters, 2020,32(7):2249-2253.
[64] BASU B, RAJU GSURI A. Bearbejdning og egenskaber af monolitiske TiB2-baserede materialer. International Materials Reviews, 2006,51(6):352-374.
[65] LI CC, LIU XB, ZHU L, et al. Ledende og polær titaniumborid som svovlvært til avancerede lithium-svovl-batterier. Chemistry of Materials, 2018,30(20):6969-6977.
[66] LI ZJ, JIANG HR, LAI NC, et al. Design af effektiv opløsningsmiddel-katalysator-grænseflade til katalytisk svovlkonvertering i lithium-svovl-batterier. mistry of Materials, 2019,31(24):10186-10196.
[67] JIN LM, NI J, SHEN C, et al. Metallisk ledende TiB2 som en multifunktionel separatormodifikator til forbedrede lithiumsvovlbatterier. Journal of Power Sources, 2020,448:227336.
[68] WU R, XU HK, ZHAO YW, et al. Borophen-lignende bor-underenheder-indsat molybdæn-ramme af MoB2 muliggør stabile og hurtigvirkende Li2S6-baserede lithium-svovl-batterier. Energy Storage Materials, 2020,32:216-224.
[69] HE JR, BHARGAV A, MANTHIRAM A. Molybdænborid som en effektiv katalysator for polysulfidredox for at muliggøre lithium-svovlbatterier med høj energitæthed. Avancerede materialer, 2020,32(40):2004741.
[70] PANG Q, KWOK CY, KUNDU D, et al. Letvægts metallisk MgB2 medierer polysulfid redox og lover højenergi-densitet lithium-svovl batterier. Joule, 2019,3(1):136-148.
[71] YU TT, GAO PF, ZHANG Y, et al. Bor-phosphid monolag som et potentielt forankringsmateriale til lithium-svovl-batterier: en første-princippet undersøgelse. Applied Surface Science, 2019,486:281-286.
[72] JANA S, THOMAS S, LEE CH, et al. B3S monolag: forudsigelse af et højtydende anodemateriale til lithium-ion-batterier. Journal of Materials Chemistry A, 2019,7(20):12706-12712.
[73] SUN C, HAI CX, ZHOU Y, et al. Meget katalytisk bornitrid nanofiber in situ dyrket på forbehandlet ketjensort som en katode for forbedret ydeevne af lithium-svovl-batterier. ACS Applied Energy Materials, 2020,3(11):10841-10853.
[74] ARENAL R, LOPEZ BEZANILLA A. Bornitridmaterialer: en oversigt fra 0D til 3D (nano)strukturer. Wiley Interdisciplinary Reviews-Computational Molecular Science, 2015,5(4):299-309.
[75] JIANG XF, WENG QH, WANG XB, et al. Nylige fremskridt med fremstilling og anvendelse af bornitrid-nanomaterialer: en gennemgang. Journal of Materials Science and Technology, 2015,31(6):589-598.
[76] PRAKASH A, NEHATE SD, SUNDARAM K B. Bor-carbonnitrid-baserede metal-isolator-metal UV-detektorer til applikationer i barske miljøer. Optics Letters, 2016,41(18):4249-4252.
[77] ZHAO YM, YANG L, ZHAO JX, et al. Hvordan man gør inerte bornitrid-nanoark aktive til immobilisering af polysulfider til lithium-svovl-batterier: en beregningsundersøgelse. Physical Chemistry Chemical Physics, 2017,19(28):18208-18216.
[78] YI YK, LI HP, CHANG HH, et al. Få-lags bornitrid med manipuleret nitrogen ledige pladser til fremme af omdannelsen af polysulfid som en katodematrix til lithium-svovl batterier. Chemistry, 2019,25(34):8112-8117.
[79] HE B, LI WC, ZHANG Y, et al. Paragenesis BN/CNTs hybrid som en monoklin svovlvært til højhastigheds og ultralang levetid lithium-svovl batteri. Journal of Materials Chemistry A, 2018,6(47):24194-24200.
[80] DENG DR, BAI CD, XUE F, et al. Multifunktionel ion-sigte sonstrueret af 2D-materialer som et mellemlag til Li-S-batterier. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019,11(12):11474-11480.
[81] SUN K, GUO PQ, SHANG XN, et al. Mesoporøse bor-carbonnitrid/grafen-modificerede separatorer som effektiv polysulfidbarriere til meget stabile lithium-svovl-batterier. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2019,842:34-40.
[82] FAN Y, YANG Z, HUA WX, et al. Funktionaliserede bornitrid-nanoark/grafen-mellemlag til hurtige og langtidsholdbare lithium-svovl-batterier. Avancerede energimaterialer, 2017,7(13):1602380.
[83] KIM PJH, SEO J, FU K, et al. Synergistisk beskyttende effekt af en BN-kulstofseparator til meget stabile lithiumsvovlbatterier. NPG Asia Materials, 2017,9(4):e375.
[84] PRAMANICK A, DEY PP, DAS P K. Mikrostruktur-, fase- og elektrisk ledningsevneanalyser af gnistplasmasintret borcarbid bearbejdet med WEDM. Ceramics International, 2020,46(3):2887-2894.
[85] YEGANEH M, SARAF HH, KAFI F, et al. Første principper undersøgelse af vibrationelle, elektroniske og optiske egenskaber af grafen-lignende borcarbid. Solid State Communications, 2020,305:113750.
[86] CHANG YK, SUN XH, MA MD, et al. Anvendelse af hårde keramiske materialer B4C i energilagring: design B4C@C kerne-skal nanopartikler som elektroder til fleksible all-solid-state mikro-superkondensatorer med ultrahøj cyklerbarhed. Nano Energy, 2020,75:104947.
[87] LUO L, CHUNG SH, ASL HY, et al. Langtidsholdbare lithium-svovlbatterier med et bifunktionelt katodesubstrat konfigureret med borcarbid nanotråde. Avancerede materialer, 2018,30(39):1804149.
[88] SANG NN, GAO Z, ZHANG YY, et al. B4C nanoskelet-aktiverede, fleksible lithium-svovl-batterier. Nano Energy, 2019,58:30-39.
[89] ZHANG RH, CHI C, WU MC, et al. Et langtidsholdbart Li-S batteri aktiveret af en katode lavet af velfordelte B4C nanopartikler dekorerede aktiverede bomuldsfibre. Journal of Power Sources, 2020,451:227751.
