中國儲能網(wǎng)訊：近日，由廈門大學(xué)、iChEM研究人員鄭南峰教授與廈門大學(xué)薩本棟微納米研究院方曉亮副教授指導(dǎo)的研究團隊通過開發(fā)功能化電池隔膜成功構(gòu)建高性能鋰硫（Li-S）電池。相關(guān)結(jié)果以“A Two-Dimensional Porous Carbon-Modified Separator for High-Energy-Density Li-S Batteries”為題發(fā)表在Cell出版集團的能源類新期刊Joule上(Joule 2018, 2, doi:10.1016/j.joule.2017.12.003)。
近年來，Li-S電池因其高理論能量密度、低成本和環(huán)境友好等優(yōu)點受到研究者們的高度關(guān)注，是當(dāng)前電化學(xué)儲能領(lǐng)域的一個重要研究方向。利用客體材料對硫進行負(fù)載進而構(gòu)建Li-S正極是目前提升Li-S電池容量和循環(huán)壽命的主要途徑。然而，現(xiàn)有的載硫客體材料結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜且成本較高，相關(guān)研究結(jié)果尚難以應(yīng)用于實際的硫正極開發(fā)。如何構(gòu)建兼具低成本、高循環(huán)穩(wěn)定性的高能量密度Li-S電池是當(dāng)前該研究領(lǐng)域的難點問題。
近來研究表明，通過在正極和隔膜之間插入一層多硫化物的阻擋層，可以有效地抑制Li-S電池充放電過程中的多硫化物中間體的“穿梭效應(yīng)”，延長電池循環(huán)壽命。這一策略為開發(fā)由商業(yè)碳材料作為載硫材料的高性能鋰硫電池提供了新思路。然而，大多數(shù)的阻擋層重量較大（通常高于0.3 mg cm-2），致使阻擋層的引入會降低電池的能量密度，不利于Li-S電池的實際應(yīng)用?；诖?，該研究團隊設(shè)計了一種由氮摻雜的二維多孔碳納米片（G@PC）和商業(yè)聚丙烯隔膜（PP）復(fù)合而成的功能化隔膜（G@PC/PP）。通過簡便的抽濾或涂覆工藝，G@PC可以在PP隔膜上形成一層重量和厚度分別僅為0.075 mg cm-2和0.9 μm的多硫阻擋層。所制備的G@PC/PP功能化隔膜配合使用商業(yè)碳材料（炭黑或碳納米管）作為載硫材料即可構(gòu)建高性能Li-S電池。使用G@PC/PP功能化隔膜后，采用漿料涂布法制備的炭黑/硫復(fù)合物為正極（電極硫百分含量64 wt％，硫負(fù)載量3.5 mg cm-2）的Li-S電池在5 C（1 C=1675 mA g-1）高倍率下充放電的可逆容量高達688 mAh g-1，在1 C倍率下循環(huán)500次后能保持754 mAh g-1的高比容量，容量保持率高達88.6％；采用具有自支撐結(jié)構(gòu)的碳納米管/硫復(fù)合物為正極（電極硫百分含量70 wt％，硫負(fù)載量12.0 mg cm-2）的Li-S電池在0.2 C循環(huán)100圈后仍保持12.1 mAh cm-2的高面積容量。這些由商業(yè)碳材料構(gòu)建的Li-S電池在倍率、循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度方面均大幅優(yōu)于現(xiàn)有Li-S電池的報道。該工作所提出的“設(shè)計輕質(zhì)量、高性能的功能化隔膜來提升由商業(yè)碳材料制備的Li-S電池性能”這一策略為推動Li-S電池的實際應(yīng)用提供了新思路。
該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、固體表面物理化學(xué)國家重點實驗室、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和福建省納米制備技術(shù)工程中心的大力支持。
