锂硫电池用高面容量的柔性正极的新进展

通信、交通、能源行业的迅速发展,对电化学储能器件的容量密度和能量密度性能提出了更高的要求。然而,经过约二十年的优化和发展,锂离子电池已经逐渐接近理论能量密度的极限,无法满足日益增长的电池能量需求,需要开发新的高性能电化学储能系统。锂硫电池的具有极高的本征能量密度,约为普通锂离子电池的四倍,因而具有极大的实用潜力,也是储能领域的一个研究热点。但是锂硫电池性能的充分体现遇到了硫/硫化锂绝缘性、充放电前后体积膨胀严重等技术瓶颈。

发展纳米碳和硫复合形成纳米复合电极是解决上述问题的有效途径。在纳米碳家族中,碳纳米管具有优异的机械强度、导电性和化学稳定性,在碳/硫纳米复合电极的构建中发挥了重要作用。然而,研究中的碳/硫复合电极往往具有较低的面容量密度,这样其实际应用的指标上充分体现锂硫电池体系的优势。

近期,清华大学张强研究团队通过“自下而上”的构思,搭建碳纳米管多级结构,用阵列碳纳米管搭建长程导电骨架和离子传输通道,用多壁碳纳米管进行活性物质的储存,实现了硫在自支持碳纳米管纸中的良好分散。从而突破了常规涂膜法制备电极的厚度限制,并且省去了集流体和粘结剂,有效提高了电极的单位面积容量。这一具有极高单位面积硫负载量的复合正极具有6.2 mAh cm-2的初始面容量,超越了商用锂离子电池4.0 mAh cm-2的水平。进一步地,这一容量可以通过自支持电极的简单堆叠就可以成倍的提高其面容量。例如三层电极堆叠其贡献的面容量为15.1 mAh cm-2,,约达到锂离子电池的四倍。该工作发表在2014年10月22日出版的Advanced Functional Materials上。

该工作实现了锂硫电池正极单位面积容量的大幅度提升,有望构筑柔性锂硫电池。不仅碳纳米管材料,石墨烯、碳杂化物、氧化物等都可以作为结构基元,采用这种方法有望达到电池要求的实用面容量。