新型高性能锂硫电池正极材料:有机柠檬-硫

目前,基于镍和钴氧化物正极材料的比容量低(小于250 mAh g-1), 同时镍和钴资源紧缺,环境毒性较大,因此传统的商业化锂离子电池存在能量密度低、成本高和环境毒性大等缺点。新一代低毒、低成本、长寿命、高容量和高能量密度型锂离子电池及其关键材料的研发一直是发展电化学储能和纳米能源材料的重要方向。近些年,低成本和大容量的元素硫正极(理论比容量1675mAh g-1)得到了学术界和产业界的广泛关注,锂硫电池成为电化学储能中的研究热点。然而,锂硫电池存在众多科学难题。如多硫化锂的溶解和穿梭,造成了循环过程中活性物质的流失,也在不间断的消耗有机电解液;另外金属锂负极目前也限制了锂硫电池的发展和应用。近五年,研究人员在克服这一类材料循环过程中活性物质溶解与穿梭,以及电极界面SEI等科学难题上取得了一系列创新性的学术成果。大多数工作集中在锂-硫电池正极材料/电极的微-纳结构的构筑,主要采用复杂的多孔碳(掺杂修饰),纳米金属硫化物、氧化物、氮化物和氢氧化物等作为载体,从而更加有效的克服循环过程中多硫化锂的溶解与穿梭。然而大多数上述提及的方法都或多或少存在缺陷,不能同时达到合成设计精简、性能理想、环境友好且经济成本低廉。电解液的设计与开发也是解决锂硫电池中的科学难题的一种思路,如新型有机锂盐,新型添加剂和固态电解质等。

近期,中国科学技术大学余彦教授与德国马普固体所吴飞翔博士提出了一种新型的锂硫电池正极材料,具有成本低廉和性能优越等优点。作者采用了一种超级廉价的柠檬烯(柠檬、柚子和橘子皮提取物)与元素硫粉一步热反应得到有机柠檬硫正极材料。该合成反应具有产量大,快速简单和成本低廉等特点,同时高效利用了柠檬果皮等环境废弃物。另外,柠檬-硫材料继承了元素硫低熔点的特性,它能够与各种多孔载体复合,包括自支撑电极,具有很好的普适性。电化学测试结果表明,该柠檬-硫正极材料表现出了优越的电化学性能,0.1C倍率下首次放电比容量高达1454mAh g-1, 首次库仑效率达到98%。0.5C倍率下循环放电比容量接近1000mAh g-1,300次循环后比容量保持率为98%,平均单次循环容量损失率为0.008%,库仑效率接近99.9%。为了进一步揭示柠檬-硫电化学性能优越的原因,作者深入挖掘了循环过程中材料的相变和微观结构演变。实验发现有机柠檬硫在首次循环后会不可逆转变为有机骨架和元素硫,纳米硫粒子均匀镶嵌在有机骨架中。在后续的循环过程中有机骨架对新相纳米硫粒子进行了有效的保护,阻止了活性纳米硫粒子(或硫化锂粒子)的溶解与穿梭效应,该自保护作用实现了柠檬-硫正极材料的长循环。

该研究工作强调了柠檬-硫是一种新型的,低成本和环境友好的锂硫电池正极材料,同时材料本身在循环过程中自形成的保护结构,克服了柠檬-硫正极材料中活性材料的溶解与穿梭,从而实现了高性能锂硫电池的构筑。

相关工作发表在 Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201706643)上。

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