圖1.鋰硫正極結構獨特的原位包裹策略示意圖: 無包裹的碳/硫材料. (b) 完美包裹的碳/硫材料 (在電池組裝之前) . (c) 包裹層有缺陷的碳/硫材料 (在電池組裝之前) . (d) 原位包裹的碳/硫材料.
圖2. (a) 原位包裹流程圖. (b) 無包裹的碳/硫材料, (c) 包裹層有缺陷的碳/硫材料和 (d) 原位包裹的碳/硫材料的透射電鏡圖片. (e) 原位包裹的原位包裹的碳/硫材料的長迴圈性能圖.
隨著社會和科技的發展, 人類對電化學儲能技術的需求日益增大, 研究人員都在尋找具有更高比能量的下一代二次電池. 鋰硫電池以硫為正極活性物質, 基於硫與鋰之間的可逆電化學反應來實現能量儲存和釋放, 其理論質量比能量可達到2600 Wh/kg, 是目前鋰離子電池的3至5倍, 有望被應用於動力電池, 攜帶型電子產品等領域, 但內部的多硫化物穿梭效應造成迴圈壽命短的問題將限制其將來的實際應用.
近日, 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員陳立桅課題組在鋰硫電池正極材料的研究中取得新進展. 研究人員展示了一種不同於常規的硫正極材料包裹的新策略. 常規的包覆策略是在硫正極材料顆粒外製備一個包覆層, 然後將此材料製備成正極並與電解液等搭配組裝成電池. 常規包覆策略存在一個難以克服的矛盾: 如果材料顆粒在組裝電池之前已覆有完美的包覆層, 則電解液將難以擴散進材料內部, 從而導致內部的硫無法參與充放電過程; 而如果材料未被完美包覆, 則充放電過程中的中間產物多硫化物仍將從正極材料中擴散出來, 造成穿梭效應. 在此新工作中, 研究人員預先在碳/硫複合顆粒上生長一層不完美的含孔的預包覆層 (在材料製備過程中完成) , 後將由此材料製備而成的正極與含有特殊添加劑的電解液一起組裝成電池. 在電解液浸潤碳/硫顆粒的同時, 添加劑將與預包覆層發生反應, 從而在顆粒外部原位形成緻密的包覆層.
這種原位包覆策略避免了常規手段的弊端, 既實現了電解液與材料的浸潤, 同時又限制了多硫化物的擴散. 研究結果表明, 採用此新包覆策略的鋰硫電池的庫侖效率和迴圈壽命得到顯著提升. 其組裝的電池在高放電倍率的條件下呈現出極好的迴圈穩定性, 在1C的電流密度下迴圈1000次, 單次迴圈的容量衰減率僅為0.03%. 相關結果已發表在Nature Communications (8,479,2017) 上.
該項工作得到了中科院戰略性先導科技專項, 科技部重點研發計劃, 國家自然科學基金的支援.
