蘇州納米所硫化鋰電池原位電鏡表征與循環(huán)穩(wěn)定性調(diào)控研究獲進(jìn)展

　　隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，人類對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的需求日益增加，新興儲(chǔ)能系統(tǒng)——鋰硫電池具有理論容量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，備受國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。而研發(fā)高容量鋰硫電池正極材料，對(duì)推動(dòng)新能源動(dòng)力汽車、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。

　　硫化鋰（Li₂S）材料理論容量高達(dá)1166 mA h g^-1， 是其它過(guò)渡金屬氧化物和磷酸鹽的數(shù)倍；其首次脫鋰充電過(guò)程中所發(fā)生的體積收縮能給后續(xù)的嵌鋰放電反應(yīng)提供空間，保護(hù)了電極結(jié)構(gòu)不受破壞；其可與非鋰金屬負(fù) 極材料（諸如硅、錫等）組裝電池，有效避免鋰枝晶形成等問(wèn)題所帶來(lái)的安全隱患，是極具發(fā)展?jié)摿Φ匿嚵螂姵卣龢O材料。然而，該材料電子／離子導(dǎo)電率低，反應(yīng) 中間產(chǎn)物多硫化物在電解液中的溶解引發(fā)穿梭效應(yīng)等問(wèn)題，限制了其在鋰硫電池中的實(shí)際應(yīng)用。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張躍鋼課題組自主研發(fā)設(shè)計(jì)了原位掃描/透射電鏡電化學(xué)芯片，實(shí)現(xiàn)了其對(duì)硫化鋰電極充電過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)；在充分理解Li₂S充放電機(jī)理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高氮摻雜石墨烯負(fù)載硫化鋰材料作為電池正極，并通過(guò)控制充電容量和電壓，顯著提升了Li₂S的容量利用率及循環(huán)壽命，相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Energy Materials 雜志上。

　　研究人員為提高鋰硫電池的容量利用率和循環(huán)壽命，通常會(huì)將硫填充至具有高比表面積和高導(dǎo)電性的多孔材料中（如：碳納米管，多孔碳，石墨烯和碳纖維等）。張躍鋼課題組在前期研究工作中發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯上引入氮摻雜官能團(tuán)，不僅可以有效減少多硫化物在電解液中的溶解，而且可優(yōu)化多硫化物在沉積過(guò)程中的分布（Nano Letters，2014, 14, 4821−4827）。為了更好地改善Li₂S的容量利用率以及循環(huán)壽命，該團(tuán)隊(duì)利用原位表征技術(shù)研究了Li₂S溶解和再沉積機(jī)理，進(jìn)而提出將最初活化電池電壓調(diào)控到3.8 V，然后通過(guò)控制電壓（1.7_~2.4 V）和充電容量可有效阻止長(zhǎng)鏈可溶性多硫化物的形成，該充放電調(diào)控方法讓電極在充電過(guò)程中保留了一部分不可溶的Li₂S作為種子，使得Li₂S材料能夠有效地活化和均勻地再沉積。此外，該研究通過(guò)在氮化處理前的氧化石墨烯表面包覆葡萄糖，有效增加了石墨烯的折皺率和彎曲率，進(jìn)而為多硫化物提供了更多的負(fù)載位點(diǎn)；反應(yīng)過(guò)程中利用氨水和高溫氨氣熱處理的方法使得氮摻雜量提高至12.2%；該高氮摻雜石墨烯材料不僅具有高導(dǎo)電性，其表面氮官能團(tuán)更能有效減少多硫化物的溶解，優(yōu)化Li₂S的均勻分布。利用該高氮摻雜石墨烯－Li₂S復(fù)合正極材料所制備的鋰硫電池在2000圈（1C）循環(huán)后其容量仍能保持318 mA h g^-1（按硫元素重量折算為457 mA h g^-1），3000圈（2C）循環(huán)后仍能保持256 mA h g^-1（按硫元素重量折算為368 mA h g^-1），是迄今為止所報(bào)道的最長(zhǎng)循環(huán)壽命。

　　該研究工作首次利用了新開(kāi)發(fā)的原位掃描電鏡和原位透射電鏡芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)硫化鋰電極充電過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)，并在研究Li₂S充放電機(jī)理的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)新的電壓－容量調(diào)控機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種新型的高氮摻雜負(fù)載硫化鋰的電極材料，為高能量的Li₂S-C /Li 電池的應(yīng)用打開(kāi)了廣闊的應(yīng)用前景。

　　該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院千人計(jì)劃人才專項(xiàng)的大力支持。

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負(fù)載于單層石墨烯電極表面的Li₂S材料在LiTFSI-DOL/DME電解液中活化過(guò)程的原位觀測(cè)SEM圖