高性能锂硫电池隔膜取得新进展

近日,由厦门大学、iChEM研究人员郑南峰教授与厦门大学萨本栋微纳米研究院方晓亮副教授指导的研究团队通过开发功能化电池隔膜成功构建高性能锂硫(Li-S)电池。相关结果以“A Two-Dimensional Porous Carbon-Modified Separator for High-Energy-Density Li-S Batteries”为题发表在Cell出版集团的能源类新期刊Joule上(Joule 2018, 2, doi:10.1016/j.joule.2017.12.003)。



近年来,Li-S电池因其高理论能量密度、低成本和环境友好等优点受到研究者们的高度关注,是当前电化学储能领域的一个重要研究方向。利用客体材料对硫进行负载进而构建Li-S正极是目前提升Li-S电池容量和循环寿命的主要途径。然而,现有的载硫客体材料结构设计复杂且成本较高,相关研究结果尚难以应用于实际的硫正极开发。如何构建兼具低成本、高循环稳定性的高能量密度Li-S电池是当前该研究领域的难点问题。

近来研究表明,通过在正极和隔膜之间插入一层多硫化物的阻挡层,可以有效地抑制Li-S电池充放电过程中的多硫化物中间体的“穿梭效应”,延长电池循环寿命。这一策略为开发由商业碳材料作为载硫材料的高性能锂硫电池提供了新思路。然而,大多数的阻挡层重量较大(通常高于0.3 mg cm-2),致使阻挡层的引入会降低电池的能量密度,不利于Li-S电池的实际应用。基于此,该研究团队设计了一种由氮掺杂的二维多孔碳纳米片(G@PC)和商业聚丙烯隔膜(PP)复合而成的功能化隔膜(G@PC/PP)。通过简便的抽滤或涂覆工艺,G@PC可以在PP隔膜上形成一层重量和厚度分别仅为0.075 mg cm-2和0.9 μm的多硫阻挡层。所制备的G@PC/PP功能化隔膜配合使用商业碳材料(炭黑或碳纳米管)作为载硫材料即可构建高性能Li-S电池。使用G@PC/PP功能化隔膜后,采用浆料涂布法制备的炭黑/硫复合物为正极(电极硫百分含量64 wt%,硫负载量3.5 mg cm-2)的Li-S电池在5 C(1 C=1675 mA g-1)高倍率下充放电的可逆容量高达688 mAh g-1,在1 C倍率下循环500次后能保持754 mAh g-1的高比容量,容量保持率高达88.6%;采用具有自支撑结构的碳纳米管/硫复合物为正极(电极硫百分含量70 wt%,硫负载量12.0 mg cm-2)的Li-S电池在0.2 C循环100圈后仍保持12.1 mAh cm-2的高面积容量。这些由商业碳材料构建的Li-S电池在倍率、循环稳定性和能量密度方面均大幅优于现有Li-S电池的报道。该工作所提出的“设计轻质量、高性能的功能化隔膜来提升由商业碳材料制备的Li-S电池性能”这一策略为推动Li-S电池的实际应用提供了新思路。

该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心和福建省纳米制备技术工程中心的大力支持。

论文链接:http://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30190-3

发布日期:2018/1/7 发布者:网站管理员 点击数:98【打印