多功能复合集流体:硫化钨纳米片在锂硫电池中的首次应用

随着现代社会的发展,特别是移动电子设备以及电动汽车的大规模使用,人们对二次电池的能量密度提出了越来越高的要求,传统的锂离子电池已经难以满足需求,因此,开发新型的高能量密度二次电池的要求呼之欲出。以单质硫为正极,金属锂为负极的锂硫电池具有价格低廉,环保无污染的特点,同时,其近10倍与传统锂离子电池的理论能量密度(2600 Wh kg-1)使得锂硫电池被视为最具有发展潜力的下一代高能量二次电池之一。然而,由于其本身硫单质的低导电性以及充放电过程中多硫化物的溶出问题,使得锂硫电池的实际能量密度与电池循环远达不到实际应用需求,大规模商业化面临许多难题。

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将硫单质与碳布结合,形成碳布/硫复合集流体是提高锂硫电池性能的常见手段,一方面碳布提供了可观的导电性能,能够提高电池容量;另一方面,三维空间的碳/硫集流体在一定程度上够减缓充放电过程中多硫化物的溶出,提高电池循环性能。然而,非极性的碳材料对多硫化物的吸附能力十分有限,单一的碳硫混合型锂硫电池还存在诸多困难。

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针对碳布/硫复合集流体中存在的问题,近日,电子科技大学熊杰教授团队设计了一种新型的非极性/极性多功能集流体,首次将硫化钨纳米片应用与锂硫电池中。该课题组将带有极性的硫化钨纳米片利用水热生长的方式,大规模的生长于碳布表面,制备出了碳布@硫化钨/硫多功能复合集流体。得益于硫化钨独特的纳米层状结构以及对不同多硫化物的极性吸附的性质,这种复合集流体同时具有碳布的高导电能力和对多硫化物的极性吸附能力,这使得锂硫电池的容量和循环相较与普通碳布/硫集流体有了明显的提高:相同负载下,容量从800mAh g−1提高到了1200mAh g−1,且在循环1500圈后仍能保持首圈90%的容量,这表明由于硫化钨的极性吸附作用,充放循环中多硫化物的溶出现象被大大的抑制了。

该工作提出了一种利用非极性/极性复合材料作为三维锂硫电池集流体的新思路,不仅对锂硫电池的研究有重要意义,同时对其他有活性物质损失的电化学储能器件的设计有着启发的作用。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201601843)上。

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