鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（十七）
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- 分類：鎢新聞
- 發佈於：2024-03-26, 週二 10:30
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第Ⅲ部分 鉬在新能源電池市場的介紹
第十七章 鉬在鋰硫電池中的應用
據中據中鎢線上/中鎢智造瞭解，碳化鉬、氮化鉬、二硫化鉬、三硫化鉬和二硒化鉬等鉬化合物作為鋰硫電池電極材料的應用，是為這一技術增添了新的活力。這些鉬化合物不僅具有優異的導電性和穩定性，還能有效提高鋰硫電池的能量密度和迴圈壽命，從而使其在眾多領域展現出廣闊的應用前景。
電動汽車領域是鋰硫電池的重要應用領域之一。傳統的鋰電池雖然在一定程度上滿足了電動汽車的能源需求，但其能量密度和續航里程仍有待提升。而鋰硫電池以其高能量密度的優勢，有望為電動汽車提供更長的續航里程和更短的充電時間。此外，鉬化合物的應用還可進一步提高鋰硫電池的性能穩定性，降低成本，從而推動電動汽車市場的普及和發展。
鋰硫電池在航空航太領域也有著巨大的應用潛力。航空航天器對能源系統的要求極高，需要電池具備高能量密度、輕量化和長壽命等特點。而鋰硫電池正好符合這些要求，其高能量密度和輕量化的特性可以提高航空航天器的性能，同時降低整體重量，有助於實現更高效、更環保的飛行。鉬化合物的應用可以進一步提升鋰硫電池的性能，使其在航空航太領域發揮更大的作用。
鋰硫電池在可再生能源儲存領域也具有廣闊的應用前景。隨著可再生能源的不斷發展和普及，如何有效地儲存這些不穩定的能源成為了一個亟待解決的問題。鋰硫電池以其高能量密度和長壽命的特性，可以有效地儲存太陽能和風能等可再生能源，實現能源的平衡和可持續利用。鉬化合物的應用可以提高鋰硫電池的儲能效率和穩定性，為可再生能源的儲存和利用提供更好的解決方案。
未來，隨著技術的不斷進步和研究的深入，鋰硫電池的性能和可靠性將得到進一步提升。目前，鋰硫電池還存在一些技術難題，如容量退化和迴圈壽命短等問題。然而，通過新材料和新技術的開發，這些問題有望得到解決。例如，通過優化鉬化合物的結構和性能，可以進一步提高鋰硫電池的能量密度和迴圈壽命；通過改進電池的設計和製造工藝，可以降低電池成本並提高生產效率。
17.1 碳化鉬在鋰硫電池中的應用
碳化鉬，英文名為Molybdenum Carbide，化學式為MoC，是一種由金屬鉬與非金屬碳共同組成的化合物，結構為密排六方晶格，MoC憑藉著獨特的物理和化學性質，已經在多個領域展現出廣泛的應用潛力。特別是在鋰硫電池領域，MoC的應用更是引起了研究者們的極大興趣。
碳化鉬具有灰色粉末的外觀，熔點高達2692℃，顯示出其出色的熱穩定性。它不溶于水和堿液，但微溶於硝酸、硫酸和氫氟酸，這些特性為其在各種極端條件下的應用提供了可能。更重要的是，MoC具有大硬度和良好的機械穩定性、耐磨性以及抗腐蝕性，使其能夠在各種嚴苛環境中保持穩定的性能。
除此之外，碳化鉬還具有類似貴金屬的電子結構和催化特性。這種特性使得MoC能夠催化多種重要的化學反應，包括加氫氫解反應、異構化反應、加氫脫硫反應、加氫脫氮反應、氨合成反應以及烴類轉化與合成反應等。這些催化特性為MoC在能源轉換和存儲領域的應用提供了廣闊的空間。
眾所周知，鋰硫電池以其高能量密度和低成本優勢，被視為下一代儲能技術的有力候選者。然而，硫正極的導電性差、充放電過程中的體積膨脹以及穿梭效應等問題，一直是制約鋰硫電池性能提升的關鍵因素。MoC的出現，為解決這些問題提供了新的可能。
碳化鉬可以作為硫正極的導電添加劑。其優良的導電性能可以有效提高硫正極的電子傳輸效率，從而提升電池的放電性能。同時，MoC的高硬度和良好的機械穩定性也可以在一定程度上抑制硫正極在充放電過程中的體積膨脹。
碳化鉬的催化性使其在促進硫的氧化還原反應方面具有潛在優勢。通過優化MoC的微觀結構和分佈，可以實現對硫氧化還原反應的高效催化，從而提高鋰硫電池的能量轉換效率。
碳化鉬在鋰硫電池中的應用前景廣闊。隨著製備技術的不斷進步和成本的降低，碳化鉬有望在鋰硫電池領域發揮更大的作用。然而，目前碳化鉬在鋰硫電池中的應用仍面臨一些挑戰。例如，如何進一步優化碳化鉬的微觀結構和分佈，以實現對硫氧化還原反應的高效催化；如何降低碳化鉬的製備成本，以推動其在鋰硫電池中的大規模應用等。
17.1.1 鋰硫電池正極材料用碳化鉬複合材料
17.1.2 鋰硫電池集流體材料用碳化鉬納米纖維
17.1.3 鋰硫電池用碳化鉬的挑戰
17.2 氮化鉬在鋰硫電池中的應用
17.2.1 鋰硫電池正極材料用二氮化三鉬
17.2.2 鋰硫電池電極材料用氮化鉬複合材料
17.2.3 鋰硫電池隔膜用氮化鉬量子點
17.2.4 鋰硫電池中間層用氮化鉬納米片
17.2.5 鋰硫電池用氮化鉬的挑戰
17.3 二硫化鉬在鋰硫電池中的應用
二硫化鉬，化學式為MoS₂，是一種無機化合物，具有黑色固體粉末的形態，並帶有金屬光澤。它的熔點高達2375℃，密度為4.80g/cm³（在14℃時測量）。此外，二硫化鉬不溶于水、稀酸和濃硫酸，但溶于王水和煮沸的濃硫酸。這種化合物的特性使其在多個領域具有廣泛的應用，特別是在能源存儲領域，如鋰硫電池。
鋰硫電池是一種具有極高理論能量密度的電池技術，其正極通常採用硫材料，負極則使用金屬鋰。然而，鋰硫電池在實際應用中面臨多個挑戰，如多硫化物的穿梭效應、硫正極的導電性差等。二硫化鉬的出現為解決這些問題提供了新的可能性。
在鋰硫電池中，二硫化鉬的應用主要體現在以下幾個方面：
作為正極塗層材料：通過塗覆二硫化鉬在硫正極上，可以提升硫的導電性，從而提高硫的利用率。這種策略可以有效減少充放電過程中硫的損失，進而提升鋰硫電池的能量密度和迴圈穩定性。
作為負極材料：儘管二硫化鉬作為鋰離子電池負極材料時存在易分解和與電解液發生副反應的問題，但其在鋰硫電池中的應用可能具有不同的表現。一些研究表明，通過合理設計結構和介面工程，MoS₂有可能成為一種有效的鋰硫電池負極材料。
作為隔膜修飾材料：二硫化鉬與碳材料的複合可以作為隔膜修飾材料，通過吸附和催化電解液中的多硫化物，有效抑制穿梭效應，從而提高電池的迴圈穩定性和安全性。MoS₂在鋰硫電池中的應用還遠未達到其潛力上限。研究者們正不斷探索和優化其在電池中的應用方式，以進一步提升鋰硫電池的性能。
具體來說，研究者們正在通過調控二硫化鉬的微納結構，以獲得更多的活性邊緣位點，這有助於增強對多硫化物的吸附和催化能力。此外，研究者們還在探索將MoS₂與其他材料（如碳材料、導電聚合物等）進行複合，以協同增強電池的性能。
儘管二硫化鉬在鋰硫電池中的應用取得了顯著的進展，但仍存在一些挑戰需要克服。例如，如何進一步提高MoS₂在電池中的穩定性，以及如何優化其與其他材料的複合方式，以實現更好的性能等。
總的來說，二硫化鉬作為一種具有獨特物理和化學性質的材料，在鋰硫電池中展現出了廣闊的應用前景。隨著研究的深入和技術的進步，相信未來MoS₂將在鋰硫電池中發揮更加重要的作用，推動鋰硫電池技術的商業化進程。
需要注意的是，雖然二硫化鉬在鋰硫電池中的應用具有潛力，但實際應用中還需要考慮其成本、生產工藝、環境友好性等多方面因素。因此，未來還需要進一步深入研究，以推動MoS₂在鋰硫電池中的實際應用。
17.3.1 鋰硫電池正極材料用二硫化鉬納米片
鋰硫電池作為一種新興的高能量密度電池技術，近年來受到了廣泛關注。與傳統的鋰離子電池相比，鋰硫電池以轉換反應為基礎，克服了插入式氧化物陰極和石墨陽極的局限性，從而實現了更高的能量密度。鋰硫電池的核心組成部分是硫陰極和鋰金屬陽極，其中硫的電絕緣性質是一個亟待解決的問題。為了克服這一挑戰，研究者們不斷探索各種導電材料作為硫的宿主，以提高硫的利用率和電池的整體性能。
近期，劍橋大學的Chhowalla Manish和Yang Jieun團隊報導了一項創新性的研究，他們使用鋰化金屬1T相二硫化鉬（LixMoS2）納米片作為承載硫的無粘結劑導電陰極，成功實現了高性能鋰硫電池。這一研究不僅為鋰硫電池的實用化提供了新的可能性，也為高性能電池材料的設計提供了新的思路。
二硫化鉬（MoS2）是一種具有層狀結構的化合物，其層間通過弱范德華力相互連接。這種結構使得MoS2具有優異的導電性和親液性。特別是1T相MoS2，其金屬性使得它具有較高的電導率和催化活性。通過化學剝離的方法，研究者們成功製備了鋰化金屬1T相MoS2納米片，這些納米片具有單層結構，能夠在溶劑中形成穩定的分散體。
具體製備過程如下：首先，採用丁基鋰化學方法對MoS2進行化學剝離，使其從半導電相轉化為金屬相。隨後，將得到的金屬相LixMoS2在溶劑中超聲處理，形成穩定的分散體。最後，通過適當的工藝，將LixMoS2納米片從分散體中剝離出來，得到單層結構的納米片。
在鋰硫電池中，二硫化鉬納米片作為硫的宿主材料，展現出了諸多優勢。首先，由於其高導電性，MoS2納米片能夠有效地提高硫的利用率，減少硫在電解質中的溶解和流失。其次，MoS2納米片的親液性使得它能夠與電解質形成良好的浸潤，從而促進了離子的擴散和傳輸。此外，MoS2納米片還具有優異的催化活性，能夠加速多硫化物的轉化反應，提高電池的電化學反應動力學。
為了研究基於LixMoS2的陰極在鋰硫電池中的電化學性能，研究者們製備LixMoS2/硫複合材料（硫含量>70wt%），並將其組裝到帶有鋰金屬陽極的紐扣電池中進行測試。這一設計使得硫能夠均勻地分佈在LixMoS2納米片的表面和內部，從而充分利用了LixMoS2的高導電性和催化活性。
研究者們對基於LixMoS2的鋰硫電池進行了的電化學性能測試。實驗結果表明，該電池展現出了優異的性能。具體來說，LixMoS2陰極在0.1C的電流密度下，比容量達到了1428mAh/g，遠高於由半導電的2H MoS2製成的陰極。這一容量表明硫的利用率為85.2%（100%硫利用的理論容量為1672mAh/g），顯示出LixMoS2對硫的高效利用。
此外，LixMoS2陰極還表現出較低的極化電壓間隙和較好的速率能力。在充電/放電過程中，由於電催化活性的提高，陽極/陰極反應更早發生。同時，LixMoS2陰極在1C的電流密度下迴圈500次後的容量保持率高達90%，遠高於對照樣品，顯示出其優異的迴圈穩定性。
為了更深入地瞭解LixMoS2在鋰硫電池中的作用機制，研究者還對其進行反應動力學分析。結果表明，LixMoS2納米片能夠改善對多硫化鋰的吸附，增強Li+的傳輸，從而加速電化學反應動力學。此外，其卓越的多硫化物轉化的電催化活性也有助於提高電池的整體性能。
在鋰硫電池中，硫與鋰的反應是一個複雜的轉換過程，涉及到多個中間產物和反應步驟。硫在放電過程中與鋰發生反應，首先形成長鏈的多硫化鋰（Li2Sx，x>2），然後逐漸轉化為短鏈的多硫化鋰（Li2S2和Li2S）。這些反應是鋰硫電池能量釋放的主要來源。
而LixMoS2納米片在這個過程中起到了關鍵作用。它不僅能夠作為導電基底提高硫的利用率，還能夠通過吸附和催化作用促進多硫化鋰的轉化。這種在鋰硫電池的充放電過程中，硫與鋰的反應是核心的電化學反應。具體反應方程式可以表達為：
放電過程：S8+16Li++16e-→8Li2S
這個總反應實際上是由一系列連續的多步反應組成的，其中包括了多硫化鋰（Li2Sx，其中x的數值逐漸減小）的形成和轉化。
LixMoS2納米片的存在對於促進這些反應起到了關鍵作用。它不僅能夠作為硫的載體，提供高導電性，使得硫在充放電過程中能夠高效地進行電子交換，同時還能夠通過其催化作用，加速多硫化鋰的轉化，減少穿梭效應，從而提高電池的迴圈穩定性。
17.3.2 鋰硫電池負極材料用二硫化鉬複合材料
17.3.3 鋰硫電池電極材料用二硫化鉬的挑戰
17.4 三硫化鉬在鋰硫電池中的應用
17.4.1 鋰硫電池正極材料用非晶相三硫化鉬
17.4.2 鋰硫電池負極材料用三硫化鉬納米片
17.4.3 鋰硫電池電極材料用三硫化鉬的挑戰
17.5 二硒化鉬在鋰硫電池中的應用
17.5.1 鋰硫電池正極材料用二硒化鉬複合材料
17.5.2 鋰硫電池負極材料用二硒化鉬複合材料
17.5.3 鋰硫電池電極材料用二硒化鉬的挑戰
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