近年來，隨著便攜式電子裝備、電動(dòng)汽車的推廣和應(yīng)用，當(dāng)今社會(huì)對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)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(jià)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(chǔ)能領(lǐng)域的重要研究方向和熱點(diǎn)。
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(huì)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(shí)對(duì)多硫化合物具有較強(qiáng)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(duì)以上存在的難題，中科院青島能源所先進(jìn)儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)了鋰硫電池的高載硫量、高硫利用率和長(zhǎng)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(shí)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(duì)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。
“類鋼筋混凝土”柔性載硫體極片及相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖
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(guó)家自然科學(xué)基金，中科院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目、青島能源所-大連化物所融合項(xiàng)目的支持。
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