钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（十七）
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- 分类：钨业新闻
- 发布于 2024年3月26日 星期二 10:30
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第Ⅲ部分 钼在新能源电池市场的介绍
第十七章 钼在锂硫电池中的应用
据中据中钨在线/中钨智造了解，碳化钼、氮化钼、二硫化钼、三硫化钼和二硒化钼等钼化合物作为锂硫电池电极材料的应用，是为这一技术增添了新的活力。这些钼化合物不仅具有优异的导电性和稳定性，还能有效提高锂硫电池的能量密度和循环寿命，从而使其在众多领域展现出广阔的应用前景。
电动汽车领域是锂硫电池的重要应用领域之一。传统的锂电池虽然在一定程度上满足了电动汽车的能源需求，但其能量密度和续航里程仍有待提升。而锂硫电池以其高能量密度的优势，有望为电动汽车提供更长的续航里程和更短的充电时间。此外，钼化合物的应用还可进一步提高锂硫电池的性能稳定性，降低成本，从而推动电动汽车市场的普及和发展。
锂硫电池在航空航天领域也有着巨大的应用潜力。航空航天器对能源系统的要求极高，需要电池具备高能量密度、轻量化和长寿命等特点。而锂硫电池正好符合这些要求，其高能量密度和轻量化的特性可以提高航空航天器的性能，同时降低整体重量，有助于实现更高效、更环保的飞行。钼化合物的应用可以进一步提升锂硫电池的性能，使其在航空航天领域发挥更大的作用。
锂硫电池在可再生能源储存领域也具有广阔的应用前景。随着可再生能源的不断发展和普及，如何有效地储存这些不稳定的能源成为了一个亟待解决的问题。锂硫电池以其高能量密度和长寿命的特性，可以有效地储存太阳能和风能等可再生能源，实现能源的平衡和可持续利用。钼化合物的应用可以提高锂硫电池的储能效率和稳定性，为可再生能源的储存和利用提供更好的解决方案。
未来，随着技术的不断进步和研究的深入，锂硫电池的性能和可靠性将得到进一步提升。目前，锂硫电池还存在一些技术难题，如容量退化和循环寿命短等问题。然而，通过新材料和新技术的开发，这些问题有望得到解决。例如，通过优化钼化合物的结构和性能，可以进一步提高锂硫电池的能量密度和循环寿命；通过改进电池的设计和制造工艺，可以降低电池成本并提高生产效率。
17.1 碳化钼在锂硫电池中的应用
碳化钼，英文名为Molybdenum Carbide，化学式为MoC，是一种由金属钼与非金属碳共同组成的化合物，结构为密排六方晶格，MoC凭借着独特的物理和化学性质，已经在多个领域展现出广泛的应用潜力。特别是在锂硫电池领域，MoC的应用更是引起了研究者们的极大兴趣。
碳化钼具有灰色粉末的外观，熔点高达2692℃，显示出其出色的热稳定性。它不溶于水和碱液，但微溶于硝酸、硫酸和氢氟酸，这些特性为其在各种极端条件下的应用提供了可能。更重要的是，MoC具有大硬度和良好的机械稳定性、耐磨性以及抗腐蚀性，使其能够在各种严苛环境中保持稳定的性能。
除此之外，碳化钼还具有类似贵金属的电子结构和催化特性。这种特性使得MoC能够催化多种重要的化学反应，包括加氢氢解反应、异构化反应、加氢脱硫反应、加氢脱氮反应、氨合成反应以及烃类转化与合成反应等。这些催化特性为MoC在能源转换和存储领域的应用提供了广阔的空间。
众所周知，锂硫电池以其高能量密度和低成本优势，被视为下一代储能技术的有力候选者。然而，硫正极的导电性差、充放电过程中的体积膨胀以及穿梭效应等问题，一直是制约锂硫电池性能提升的关键因素。MoC的出现，为解决这些问题提供了新的可能。
碳化钼可以作为硫正极的导电添加剂。其优良的导电性能可以有效提高硫正极的电子传输效率，从而提升电池的放电性能。同时，MoC的高硬度和良好的机械稳定性也可以在一定程度上抑制硫正极在充放电过程中的体积膨胀。
碳化钼的催化性使其在促进硫的氧化还原反应方面具有潜在优势。通过优化MoC的微观结构和分布，可以实现对硫氧化还原反应的高效催化，从而提高锂硫电池的能量转换效率。
碳化钼在锂硫电池中的应用前景广阔。随着制备技术的不断进步和成本的降低，碳化钼有望在锂硫电池领域发挥更大的作用。然而，目前碳化钼在锂硫电池中的应用仍面临一些挑战。例如，如何进一步优化碳化钼的微观结构和分布，以实现对硫氧化还原反应的高效催化；如何降低碳化钼的制备成本，以推动其在锂硫电池中的大规模应用等。
17.1.1 锂硫电池正极材料用碳化钼复合材料
17.1.2 锂硫电池集流体材料用碳化钼纳米纤维
17.1.3 锂硫电池用碳化钼的挑战
17.2 氮化钼在锂硫电池中的应用
17.2.1 锂硫电池正极材料用二氮化三钼
17.2.2 锂硫电池电极材料用氮化钼复合材料
17.2.3 锂硫电池隔膜用氮化钼量子点
17.2.4 锂硫电池中间层用氮化钼纳米片
17.2.5 锂硫电池用氮化钼的挑战
17.3 二硫化钼在锂硫电池中的应用
二硫化钼，化学式为MoS₂，是一种无机化合物，具有黑色固体粉末的形态，并带有金属光泽。它的熔点高达2375℃，密度为4.80g/cm³（在14℃时测量）。此外，二硫化钼不溶于水、稀酸和浓硫酸，但溶于王水和煮沸的浓硫酸。这种化合物的特性使其在多个领域具有广泛的应用，特别是在能源存储领域，如锂硫电池。
锂硫电池是一种具有极高理论能量密度的电池技术，其正极通常采用硫材料，负极则使用金属锂。然而，锂硫电池在实际应用中面临多个挑战，如多硫化物的穿梭效应、硫正极的导电性差等。二硫化钼的出现为解决这些问题提供了新的可能性。
在锂硫电池中，二硫化钼的应用主要体现在以下几个方面：
作为正极涂层材料：通过涂覆二硫化钼在硫正极上，可以提升硫的导电性，从而提高硫的利用率。这种策略可以有效减少充放电过程中硫的损失，进而提升锂硫电池的能量密度和循环稳定性。
作为负极材料：尽管二硫化钼作为锂离子电池负极材料时存在易分解和与电解液发生副反应的问题，但其在锂硫电池中的应用可能具有不同的表现。一些研究表明，通过合理设计结构和界面工程，MoS₂有可能成为一种有效的锂硫电池负极材料。
作为隔膜修饰材料：二硫化钼与碳材料的复合可以作为隔膜修饰材料，通过吸附和催化电解液中的多硫化物，有效抑制穿梭效应，从而提高电池的循环稳定性和安全性。MoS₂在锂硫电池中的应用还远未达到其潜力上限。研究者们正不断探索和优化其在电池中的应用方式，以进一步提升锂硫电池的性能。
具体来说，研究者们正在通过调控二硫化钼的微纳结构，以获得更多的活性边缘位点，这有助于增强对多硫化物的吸附和催化能力。此外，研究者们还在探索将MoS₂与其他材料（如碳材料、导电聚合物等）进行复合，以协同增强电池的性能。
尽管二硫化钼在锂硫电池中的应用取得了显著的进展，但仍存在一些挑战需要克服。例如，如何进一步提高MoS₂在电池中的稳定性，以及如何优化其与其他材料的复合方式，以实现更好的性能等。
总的来说，二硫化钼作为一种具有独特物理和化学性质的材料，在锂硫电池中展现出了广阔的应用前景。随着研究的深入和技术的进步，相信未来MoS₂将在锂硫电池中发挥更加重要的作用，推动锂硫电池技术的商业化进程。
需要注意的是，虽然二硫化钼在锂硫电池中的应用具有潜力，但实际应用中还需要考虑其成本、生产工艺、环境友好性等多方面因素。因此，未来还需要进一步深入研究，以推动MoS₂在锂硫电池中的实际应用。
17.3.1 锂硫电池正极材料用二硫化钼纳米片
锂硫电池作为一种新兴的高能量密度电池技术，近年来受到了广泛关注。与传统的锂离子电池相比，锂硫电池以转换反应为基础，克服了插入式氧化物阴极和石墨阳极的局限性，从而实现了更高的能量密度。锂硫电池的核心组成部分是硫阴极和锂金属阳极，其中硫的电绝缘性质是一个亟待解决的问题。为了克服这一挑战，研究者们不断探索各种导电材料作为硫的宿主，以提高硫的利用率和电池的整体性能。
近期，剑桥大学的Chhowalla Manish和Yang Jieun团队报道了一项创新性的研究，他们使用锂化金属1T相二硫化钼（LixMoS2）纳米片作为承载硫的无粘结剂导电阴极，成功实现了高性能锂硫电池。这一研究不仅为锂硫电池的实用化提供了新的可能性，也为高性能电池材料的设计提供了新的思路。
二硫化钼（MoS2）是一种具有层状结构的化合物，其层间通过弱范德华力相互连接。这种结构使得MoS2具有优异的导电性和亲液性。特别是1T相MoS2，其金属性使得它具有较高的电导率和催化活性。通过化学剥离的方法，研究者们成功制备了锂化金属1T相MoS2纳米片，这些纳米片具有单层结构，能够在溶剂中形成稳定的分散体。
具体制备过程如下：首先，采用丁基锂化学方法对MoS2进行化学剥离，使其从半导电相转化为金属相。随后，将得到的金属相LixMoS2在溶剂中超声处理，形成稳定的分散体。最后，通过适当的工艺，将LixMoS2纳米片从分散体中剥离出来，得到单层结构的纳米片。
在锂硫电池中，二硫化钼纳米片作为硫的宿主材料，展现出了诸多优势。首先，由于其高导电性，MoS2纳米片能够有效地提高硫的利用率，减少硫在电解质中的溶解和流失。其次，MoS2纳米片的亲液性使得它能够与电解质形成良好的浸润，从而促进了离子的扩散和传输。此外，MoS2纳米片还具有优异的催化活性，能够加速多硫化物的转化反应，提高电池的电化学反应动力学。
为了研究基于LixMoS2的阴极在锂硫电池中的电化学性能，研究者们制备LixMoS2/硫复合材料（硫含量>70wt%），并将其组装到带有锂金属阳极的纽扣电池中进行测试。这一设计使得硫能够均匀地分布在LixMoS2纳米片的表面和内部，从而充分利用了LixMoS2的高导电性和催化活性。
研究者们对基于LixMoS2的锂硫电池进行了的电化学性能测试。实验结果表明，该电池展现出了优异的性能。具体来说，LixMoS2阴极在0.1C的电流密度下，比容量达到了1428mAh/g，远高于由半导电的2H MoS2制成的阴极。这一容量表明硫的利用率为85.2%（100%硫利用的理论容量为1672mAh/g），显示出LixMoS2对硫的高效利用。
此外，LixMoS2阴极还表现出较低的极化电压间隙和较好的速率能力。在充电/放电过程中，由于电催化活性的提高，阳极/阴极反应更早发生。同时，LixMoS2阴极在1C的电流密度下循环500次后的容量保持率高达90%，远高于对照样品，显示出其优异的循环稳定性。
为了更深入地了解LixMoS2在锂硫电池中的作用机制，研究者还对其进行反应动力学分析。结果表明，LixMoS2纳米片能够改善对多硫化锂的吸附，增强Li+的传输，从而加速电化学反应动力学。此外，其卓越的多硫化物转化的电催化活性也有助于提高电池的整体性能。
在锂硫电池中，硫与锂的反应是一个复杂的转换过程，涉及到多个中间产物和反应步骤。硫在放电过程中与锂发生反应，首先形成长链的多硫化锂（Li2Sx，x>2），然后逐渐转化为短链的多硫化锂（Li2S2和Li2S）。这些反应是锂硫电池能量释放的主要来源。
而LixMoS2纳米片在这个过程中起到了关键作用。它不仅能够作为导电基底提高硫的利用率，还能够通过吸附和催化作用促进多硫化锂的转化。这种在锂硫电池的充放电过程中，硫与锂的反应是核心的电化学反应。具体反应方程式可以表达为：
放电过程：S8+16Li++16e-→8Li2S
这个总反应实际上是由一系列连续的多步反应组成的，其中包括了多硫化锂（Li2Sx，其中x的数值逐渐减小）的形成和转化。
LixMoS2纳米片的存在对于促进这些反应起到了关键作用。它不仅能够作为硫的载体，提供高导电性，使得硫在充放电过程中能够高效地进行电子交换，同时还能够通过其催化作用，加速多硫化锂的转化，减少穿梭效应，从而提高电池的循环稳定性。
17.3.2 锂硫电池负极材料用二硫化钼复合材料
17.3.3 锂硫电池电极材料用二硫化钼的挑战
17.4 三硫化钼在锂硫电池中的应用
17.4.1 锂硫电池正极材料用非晶相三硫化钼
17.4.2 锂硫电池负极材料用三硫化钼纳米片
17.4.3 锂硫电池电极材料用三硫化钼的挑战
17.5 二硒化钼在锂硫电池中的应用
17.5.1 锂硫电池正极材料用二硒化钼复合材料
17.5.2 锂硫电池负极材料用二硒化钼复合材料
17.5.3 锂硫电池电极材料用二硒化钼的挑战
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