福建物構所鋰硫電池隔膜材料研究取得進展

福建物構所鋰硫電池隔膜材料研究取得進展

鋰離子電池被廣泛應用在人們日常生活領域。隨著社會發展，傳統鋰離子電池已經遠不能滿足人們對能源存儲的需求。鋰硫電池（Li-S）由于高的理論比容量和能量密度，以及硫的低成本和環境友好等優勢被視為最有應用前景的高容量存儲體系之一。然而，Li-S電池的商業化應用仍存在一些技術挑戰，如固體硫化物的絕緣性，可溶性長鏈多硫化物的穿梭效應以及充放電期間硫的體積變化大等。這些問題通常導致硫的利用率低，循環壽命差，甚至一系列安全問題。如何大幅提高Li-S電池的實際能量密度和循環穩定性已成為當前研究的熱點之一。

隔膜也是電池的重要組成之一，其作用是導通離子傳輸并防止電池短路。商業化PP 隔膜，由于其孔徑較大，多硫化物能夠較容易地通過，因而不能有效地抑制多硫化物的擴散和穿梭。在國家自然科學基金（21471151, 21673241)）和中國科學院戰略性先導科技專項（XDB20030200）的資助下，中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員王瑞虎課題組利用金屬納米粒的催化效應，以離子聚合物包覆氧化石墨烯為前驅體，通過離子交換和高溫焙燒技術制備得到了鈷、氮均勻摻雜的多孔碳納米片復合材料。該復合材料修飾的隔膜不僅可以通過物理/化學作用有效阻擋多硫化物穿梭通過隔膜，而且可以起到電催化劑作用，進一步促進被攔截的多硫化物進行催化轉化。使用催化效應助力的修飾隔膜，高載硫（10.5 mg cm^-2）自支撐電極在0.1 C的條件下表現出高的放電面容量（12.5 mA h cm^-2）和體積比容量（1136 mA h cm^-3）。該電化學性能優于目前報道的大多數碳基正極材料，實現了鋰硫電池硫負載量、體積容量和面容量的同步提升，這對高能量密度鋰硫電池的設計構筑具有重要意義。

上述研究成果近期發表在《先進能源材料》上（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901609），論文第一作者為程志斌。