青島能源所成功制備柔性載硫體用于高性能鋰硫電池

近年來，隨著便攜式電子裝備、電動汽車的推廣和應(yīng)用，當(dāng)今社會對電化學(xué)儲能器件提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的鋰離子電池受制于電極材料較低的理論容量，難以滿足高能量密度儲能系統(tǒng)的要求。基于多電子轉(zhuǎn)換反應(yīng)的鋰硫電池由于具有超高的比能量，并且原材料來源豐富、價格低廉、低毒無害，被認(rèn)為是最具潛力的下一代高能量電池體系之一，成為當(dāng)前電化學(xué)儲能領(lǐng)域的重要研究方向和熱點。

然而，鋰硫電池固有的自身缺陷阻礙了其大規(guī)模的使用。一方面，由于硫單質(zhì)及還原產(chǎn)物多硫化合物(Li2S/Li2S2)的導(dǎo)電率低，導(dǎo)致鋰硫電池中活性物質(zhì)利用率低，倍率性能差;另一方面，在充放電過程中產(chǎn)生的可溶性多硫化合物，會導(dǎo)致“穿梭效應(yīng)”的出現(xiàn)。因此開發(fā)具有高導(dǎo)電性，同時對多硫化合物具有較強吸附能力的正極材料是獲取高性能鋰硫電池的關(guān)鍵所在。

針對以上存在的難題，青島能源所先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組基于正極載硫體的改性，制備了一種“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)的柔性載硫體，實現(xiàn)了鋰硫電池的高載硫量、高硫利用率和長循環(huán)壽命。以石墨烯薄膜為集流體，木質(zhì)素纖維與碳納米管為復(fù)合載體，該柔性載硫體具有優(yōu)異的導(dǎo)電率及聚硫化合物錨定能力，同時結(jié)合了石墨烯的去極化特性。以該集流體組裝的鋰硫電池，0.1C下電池容量高達(dá)1632.5 mAh g-1(97.5%的理論容量)，1.0C下循環(huán)500圈容量保持率為86.5%。即使在9.2 mg cm-2高載硫量下，該鋰硫電池依然表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，0.5C下經(jīng)過100圈循環(huán)容量保持率達(dá)91.5%。該工作對提高鋰硫電池硫利用率和循環(huán)壽命提供了一種新的思路。

相關(guān)成果已發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上(Tao Liu, Jianfei Wu*, et al. doi: 10.1039/C8TA08521H)。此外，研究組在富鋰錳正極材料、硫化物固體電解質(zhì)等方面也取得突出進(jìn)展，相關(guān)成果已在Electrochimica Acta (2018, 269: 422-428), Advanced Materials Interfaces (2018：1800783(1-8)), Journal of Alloys and Compounds(2018, 744: 41-50; 2017, 727: 1136-1141)等雜志發(fā)表。研究成果得到了國家自然科學(xué)基金，中科院“百人計劃”項目、青島能源所-大連化物所融合項目的支持。