较小的硫分子具备较高的锂硫电池性能

中国科学院化学研究所万立骏院士课题组的研究人员发现较小的硫分子具备更加优异的锂硫电池性能。研究人员在导电微孔碳基上的有限空间内合成了亚稳态的硫分子S2-4,从而避免了电池反应过程中较大的分子S8 和S42- 之间这一不利转换,有效解决了硫作为电池正极材料时由于形成多硫化物溶出造成的损失问题。

为了达到这一目的,研究人员首先制备了具有同轴结构核壳碳基材料。内核为多壁碳管,通过水热反应在其表面覆盖了一层厚度为100纳米的微孔碳。通过球面像差成像技术对其进行表征,外壳碳层的孔径为0.5纳米。通过计算不同硫同素异形体的粒径,研究人员发现只有较小的硫分子S2-4至少有一维小于0.5纳米,从而能够进入到碳基材料的微孔中,并且在充放电过程中不会转换成更大的环状S8分子。

所制备的碳硫复合材料透射电镜照片及元素面分布图

所制备的碳硫复合材料作为锂硫电池正极材料,其令人瞩目的电化学性能可以归因于以下几个方面:首先,在首次放电过程中避免了多硫化物(Li2Sn, n = 4−8)的形成;其次,由于碳微孔的空间限制,在充电过程中形成的硫化锂不会被氧化成大的硫分子;第三,作为核结构的碳管可以为锂离子和硫之间的氧化还原反应提供充足的电子。另外,电极反应动力学也得以提升。

文中特别强调,所制备的碳硫复合电池正极材料具有高的比容量,十分优异的循环稳定性和令人满意的高倍率性能。从而预见了锂硫电池在能源存储领域令人瞩目的发展前景。