中國儲能網(wǎng)訊：實驗室研究人員在解決高比能鋰-硫電池中多硫離子的溶出問題，提高鋰-硫電池循環(huán)壽命方面取得重要突破。研究結果發(fā)表在近期J. Am. Chem. Soc., (2012, 134, 18510?18513)上，并被美國化學會（ACS）的Chemical & Engineering News以“可持續(xù)的高能量電池”（High-Energy Battery Built To Last）為題進行了評述和報道(http://cen.acs.org/articles/90/web/2012/11/High-Energy-Battery-Built-Last.html )。
鋰-硫電池是指采用單質硫（或含硫化合物）為正極，金屬鋰為負極，通過硫與鋰之間的化學反應實現(xiàn)化學能和電能間相互轉換的一類金屬鋰二次電池。無論作為正極材料的單質硫還是作為負極材料的金屬鋰，均具有很高的理論比容量，從而使整個電池的理論比能量高達2600 Wh/kg，是現(xiàn)有鋰離子電池的五倍以上。然而，受限于硫及其放電產(chǎn)物硫化鋰（Li2S）的絕緣特性，以及充放電過程中形成的一系列多硫化鋰中間產(chǎn)物易溶于電解液的缺點，鋰-硫電池的硫正極活性差、利用率低、循環(huán)性能也很差，嚴重影響電池的性能發(fā)揮和實際應用，是亟待解決的難題。
科研人員認識到單質硫主要以環(huán)狀S8形式存在，而這些易溶性多硫離子（Li2S8、Li2S6、Li2S4等）主要產(chǎn)生于S8與S42-之間的轉變過程中。他們聯(lián)合博世亞太地區(qū)科技研究中心的科研人員一起從硫分子結構設計出發(fā)，提出通過構筑鏈狀小硫分子（S2-4）從根本上解決這一多硫離子溶出問題的思想，并通過納米孔道的空間限域效應實現(xiàn)了非常規(guī)、亞穩(wěn)態(tài)小硫分子的篩選和穩(wěn)定化（圖5）。
他們首先合成出具有特定孔尺寸（0.5 nm）的微孔碳基底，然后再負載硫。由于納米孔道空間的限制，在引入硫的過程中即可實現(xiàn)從S8分子到小硫分子的轉化，制備出非常規(guī)小硫分子/碳復合正極材料。他們與中科院物理所科研人員合作，通過球差校正透射電子顯微鏡等先進表征手段并結合理論計算，證明硫在這種納米孔道內(nèi)的存在形式不是通常的環(huán)狀S8分子，而是鏈狀的小硫分子S2-4。研究發(fā)現(xiàn)，這種鏈狀小硫分子S2-4在嵌/脫鋰過程中表現(xiàn)出與環(huán)狀S8分子截然不同的電化學行為，在充放電過程中不會再形成溶解性多硫離子（Li2S8、Li2S6、Li2S4），從而從根本上徹底解決了傳統(tǒng)硫正極材料由于多硫離子溶出導致循環(huán)性能差的難題。同時，由于硫顆粒的尺寸已降至分子級，使硫的電化學活性顯著提高。這種基于納米孔道限域效應的非常規(guī)硫分子/碳復合正極材料在鋰-硫電池中表現(xiàn)出很高的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性及高倍率性能。以硫質量計算的首圈放電容量達1670 mA h/g，接近硫的理論容量（1675 mA h/g），200圈循環(huán)后仍有1150 mA h/g（圖6）?？臻g限域的鏈狀小硫分子及其特殊電化學性質的發(fā)現(xiàn)，對于根本解決硫正極的多硫離子溶出問題，開發(fā)高性能鋰-硫電池具有重要意義。相關結果已申請三項PCT國際專利。（來源：中國科學院分子納米結構與納米技術重點實驗室）
圖5. 納米孔道受限的小硫分子/用于高性能鋰-硫電池正極材料的示意圖
圖6. 小硫分子/碳復合正極材料的（a）充放電曲線，（b）0.1C倍率下的循環(huán)性能
