高稳定的锂硫电池新进展:新型离子选择隔膜提高电池寿命

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电化学储能系统是现实生活中不可缺少的器件。随着便携式设备(如智能手机、笔记本电脑)和电动汽车等设备对电池能量要求不断提高,现有的锂离子电池等通用储能器件已逐渐无法满足需求,新型高能量密度高稳定性电池系统的研发成为一个热点科研领域。在众多新型电化学系统中,锂硫电池系统以其极高的理论能量密度(3-5倍于锂离子电池能量密度)吸引了广泛关注。但受制于其锂硫电池系统的本征特点,在电化学反应中的多硫化锂中间产物会在电解液中溶解并在正负两极间不可控“穿梭”,导致锂硫电池容量快速衰减,导致其锂硫电化学体系无法充分发挥其作用。如何有效抑制多硫化物在两极间“穿梭”是提高锂硫电池稳定性的有效手段。但以往的研究多关注硫正极材料的结构设计,并未从电池整体结构考虑进行合理设计。

清华大学张强、魏飞教授组在该领域的研究近期取得了进展。该课题组以分隔正负极材料的隔膜为切入点,引入阳离子选择性隔膜体系。将普通的多孔隔膜替换成离子选择隔膜,一方面保证了锂离子可以正常透过隔膜实现电化学储能效应,一方面通过静电排斥作用抑制聚硫阴离子跨过隔膜到达负极,从而抑制多硫化物的“穿梭”。使用该新型离子选择性隔膜后,电池的稳定性得到大幅提高,单圈衰减率在500个循环内平均仅为0.08 %,远低于参照组衰减率。除此之外,离子选择性隔膜的引入也大幅提高了电池的库伦效率,改善了电池的能量转化效率。结合原位可视化实验,该课题组也成功观测到离子选择性隔膜可在长时间内阻断多硫化物的跨膜扩散。

基于新型离子选择性隔膜的开发,该研究成功抑制长期困扰锂硫电池循环寿命的“穿梭效应”,大幅提高了锂硫电池的循环稳定性。在隔膜上构建的阻隔层还可以与其它正极材料设计相结合,为高稳定性锂硫电池的开发提供了新思路。