多孔空心炭球-硫复合材料在锂硫电池中的应用

Untitled近来,锂硫电池由于其超高的能量密度和低廉的成本,在学术界和工业界都越来越引起人们的关注。锂硫电池的理论容量可达到1675 mAh g−1,是现在商用锂离子电池的5倍以上,可以大幅提高电池的充放电间隔时间。但其大规模商业化却受到循环稳定性低的限制,这主要是因为在充放电过程中,电池正极的硫单质会形成多硫化锂中间体Li2Sx(2˂X≤8),而Li2Sx易溶解于电解质中,溶解的Li2Sx会持续缓慢的穿过多孔隔膜扩散到锂金属负极,并会直接与金属锂反应,这个过程会导致硫正极材料的不间断的损失。最近的研究结果表明,多孔碳-硫的复合材料有助于将Li2Sx限制在正极区域。然而至今没有可信服的证据来证明硫是否真正的进入到多孔碳中,因为只有当硫进入多孔碳内部,才能更有效地保护Li2Sx。并且理论上,在硫放电过程中,由于锂离子的嵌入,硫的体积应该膨胀,事实是否如此呢?

为了回答这一系列的问题,美国通用汽车研究中心的周伟东博士,肖兴成博士及其研究团队(General Motors Global Research and Development Center),进行了深入而细致的研究,并取得了重要进展。他们通过模板合成法制备了不同孔径的多孔空心炭球及其与硫的复合材料。运用扫描投射显微镜直观地观测到了当孔径小于3纳米时,硫可以有效地进入多孔碳中,而当孔径大于4纳米时,硫很难充分有效地进入多孔碳中。在锂离子电池器件中,孔径小于3纳米的多孔炭-硫复合物展现了最稳定的充放电循环性能。证明了在合适条件下,硫可以真正的进入到多孔碳内部,并且只有当硫真正的进入到多孔碳内部时,才能更有效地保护Li2Sx。此外,他们成功地运用in-situ透射电镜技术首次观测到了在放电过程中硫的体积的膨胀。该系列成果对多孔材料-硫复合材料的构建和锂-硫电池的进一步发展有重要的指导意义。相关论文发表在Advanced Energy Materials上