蘇州納米所鋰硫電池研究取得新進(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?yàn)檎龢O活性物質(zhì)，基于硫與鋰之間的可逆電化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存和釋放，其理論質(zhì)量比能量可達(dá)到2600 Wh/kg，是目前鋰離子電池的3至5倍，有望被應(yīng)用于動(dòng)力電池、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，但內(nèi)部的多硫化物穿梭效應(yīng)造成循環(huán)壽命短的問(wèn)題將限制其將來(lái)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(jìn)展。研究人員展示了一種不同于常規(guī)的硫正極材料包裹的新策略。常規(guī)的包覆策略是在硫正極材料顆粒外制備一個(gè)包覆層，然后將此材料制備成正極并與電解液等搭配組裝成電池。常規(guī)包覆策略存在一個(gè)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(kuò)散進(jìn)材料內(nèi)部，從而導(dǎo)致內(nèi)部的硫無(wú)法參與充放電過(guò)程；而如果材料未被完美包覆，則充放電過(guò)程中的中間產(chǎn)物多硫化物仍將從正極材料中擴(kuò)散出來(lái)，造成穿梭效應(yīng)。在此新工作中，研究人員預(yù)先在碳/硫復(fù)合顆粒上生長(zhǎng)一層不完美的含孔的預(yù)包覆層（在材料制備過(guò)程中完成），后將由此材料制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(rùn)碳/硫顆粒的同時(shí)，添加劑將與預(yù)包覆層發(fā)生反應(yīng)，從而在顆粒外部原位形成致密的包覆層。 

　　這種原位包覆策略避免了常規(guī)手段的弊端，既實(shí)現(xiàn)了電解液與材料的浸潤(rùn)，同時(shí)又限制了多硫化物的擴(kuò)散。研究結(jié)果表明，采用此新包覆策略的鋰硫電池的庫(kù)侖效率和循環(huán)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(xiàn)出極好的循環(huán)穩(wěn)定性，在1C的電流密度下循環(huán)1000次，單次循環(huán)的容量衰減率僅為0.03%。相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在Nature Communications（8,479,2017）上。  

　　該項(xiàng)工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

　　圖1.鋰硫正極結(jié)構(gòu)獨(dú)特的原位包裹策略示意圖：（a）無(wú)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(wú)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(zhǎng)循環(huán)性能圖。