超快長循環壽命鋰硫電池:基於石墨烯的三明治結構

2020-11-27 科學網

 

隨著通訊可攜式電子設備、空間技術和電動汽車等領域的快速發展，人們對電池的要求變得越來越高，使得高容量、長循環壽命、低成本及環境友好的新型鋰電池開發成為一個熱門的研究領域。近年來發現，以單質硫為正極活性材料的鋰硫（Li-S）電池能夠突破傳統的過渡金屬氧化物基正極物質的理論儲鋰容量限制（當發生電池反應S + 2Li = Li2S時，相應的理論比能量為2567 Wh/Kg及正極理論比容量高達1675 mAh/g，且硫和鋰的反應具有可逆性），且鋰硫電池中的正極材料硫具有儲量豐富、無毒、廉價等特點而倍受關注。

 

然而，雖然鋰硫電池具備上述優勢，在實際應用之前許多問題仍有待解決。例如硫的低電導率、電池充放電過程中產生易溶解於有機電解液的多硫化鋰、及生成的Li2S終產物導電性差且不溶解，都容易影響電極中活性硫的利用率及電池性能。同時單質硫和Li2S由於兩者密度的不同，容易導致充放電過程中硫和Li2S體積改變，使電極產生壓力並破壞其結構穩定性，導致電池容量易快速衰減。而且，電極中高度可溶的多硫化物能在陰極和陽極之間穿梭，並在陰極和陽極之間形成固態Li2S2/Li2S庫，造成了硫的不可逆損耗，這將導致電池的庫倫效率低、低循環承載力及高阻抗。為了攻克鋰硫電池開發中的瓶頸，研究人員採取了多種手段包括添加電子導體與硫複合提高導電性、抑制多硫化物過多溶解、增加鋰負極保護等方法，並取得了不錯了進展。

 

有趣的是，近期來自中科院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室的成會明課題組發現石墨烯可作為硫電極及電池隔膜的保護及導電層從而形成一個獨特三明治結構（如示意圖），在增加導電性的同時確保多硫化鋰不會穿透電池隔膜而腐蝕鋰負極，從而提高鋰硫電池的性能。該文章還指出，與使用鋁箔作為正極集電體及使用未包覆石墨烯的商品化電池隔膜情況相比，採用石墨烯作為正極集電體（Graphene Current Collector, GCC）和石墨烯隔膜（Graphene membrane coated commercial polymer separator, G-separator）能夠有效地降低集電器、活性材料和電解液的接觸阻抗。更值得關注的是，包被有兩層石墨烯的電極能提供快速的離子和電子通道，適應硫體積膨脹，儲存並重複利用遷移的多硫化物以減輕穿梭效應。石墨烯集電體的輕質特點還使其構成的鋰硫電池具有更高的能量密度。此外，由於石墨烯對於的包裹，是得硫極能夠直接和碳黑複合，而不需使用特殊的炭基質或多聚物包被，從而簡化了電極的製備過程。同時，該文章還展示了大面積石墨烯集電器及石墨烯隔膜的製備，預示著該設計可用於大規模工業化生產的可能性。

 

該研究成果證實了利用石墨烯包裹電極及隔膜可作為一個簡單且高效的策略提升鋰硫電池的性能，從而為高容量、長循環、易加工的鋰硫電池開發提供了一種新思路。

 

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