【参赛作品】锂硫电池新进展 硫化氢牵手石墨烯

科学的发展经常带给人们新的惊喜。“刺鼻的硫化氢为高性能锂硫电池的规模化发展带来了新的机遇?”一边是具有刺鼻气味和大规模排放量的有毒工业废气,一边是处于全世界研究前沿的新型储能器件锂硫电池,貌似风马牛不相及的两个概念近日走到了一起,为两者牵线搭桥的“红娘”,则是科学界和产业界炙手可热的大明星-石墨烯。

能源与环境问题是目前全世界的重要课题,构建具有高能量密度和功率密度的绿色储能体系与合理利用和处理工业废气都是各国关注的焦点,电化学储能器件的新发展为两者牵线搭桥。近年来,具有极高理论能量密度(3-5倍于锂离子电池)的新型锂硫电池在众多新型电化学系统中脱颖而出。但是锂硫电池的实际性能体现受到很多限制,例如硫的导电性差,体积膨胀严重,活性组分在正负极中会产生穿梭效应。碳纳米材料的优异性能为锂硫电池带来了曙光,若将硫与具有高导电性和多孔结构的碳纳米材料进行复合,就能够显著提高锂硫电池的性能。石墨烯是一种单碳原子层二维材料,具有优异的导电性、大的比表面积和柔性结构,可有效克服硫单质的缺点,极大地提高电极材料性能水平。然而由于目前石墨烯基材料的制备过程复杂,成本高昂,限制了其规模化发展。

近日,杨全红教授带领的天津大学和清华大学联合研究团队在新型锂硫电池材料的制备和应用上取得突破性进展。他们利用高浓度的工业废气硫化氢成功地高效还原了氧化石墨烯,并同步实现了硫在石墨烯上的均匀负载。所得材料作为锂硫电池正极材料显示出良好的电化学性能,这种制备方法有望成为未来锂硫电池大规模发展的有效途径之一,相关成果发表在最近的Advanced Energy Materials上(DOI: 10.1002/aenm.201301565)。

作为工业废气的硫化氢是含硫量最高的化合物(质量分数达94%),因此对硫化氢的高效回收并变废为宝将引起产业界和科学界的极大兴趣。该研究团队从材料的表面化学出发,将氧化石墨烯表面丰富的含氧基团和硫化氢的还原性有机结合起来,在温和的条件下实现了硫化氢的高效吸收和氧化石墨烯的同步还原,所得产物为均匀负载硫单质的石墨烯/硫复合材料。采用该方法制备得到的石墨烯/硫复合材料由于石墨烯的柔性结构搭建了良好的导电网络,石墨烯与硫的紧密结合能够有效限制硫的穿梭效应,作为锂硫电池的正极材料,在高倍率下还能保持良好的充放电容量和性能,展现出良好的应用前景。

硫化氢属于工业废气,排放量很大。将硫化氢与氧化石墨烯结合起来的方法一举三得:一方面实现了高浓度硫化氢的有效吸收并将其转化为单质硫,另一方面实现了氧化石墨烯的有效还原,同时获得了具有高性能的锂硫电池电极材料,实现了环境污染物控制和新能源领域的有机结合,同时这种方法操作简便、原料来源广泛,为锂硫电池的大规模生产和发展提供了新的思路和途径。

 

选材出处: Reduction of Graphene Oxide by Hydrogen Sulfide: A Promising Strategy for Pollutant Control and as an Electrode for Li-S Batteries