氧化石墨烯膜锂硫电池

随着个人便携式电子设备、电动汽车以及可再生能源的飞速发展,具有高能量密度电化学储能系统正受到高度的关注。锂硫电池由于其远超传统的锂离子电池接近四倍的、高达2600 Wh kg-1的理论能量密度,是被广泛看好的下一代高能量密度储能系统。然而,这种基于多电子反应过程的锂硫电池系统会产生多种多硫化物中间产物。这些中间产物会溶解到电解液里,并会在正极负极之间来回穿梭,降低活性材料利用效率,并造成不可逆容量损失,从而使锂硫电池稳定性差,寿命低,制约了其实用化过程。

在普通电化学系统里面,采用多孔高分子隔膜。这些隔膜可以阻挡电子的输运,实现锂离子的高效传导,但是也提供了多硫化物离子传输所需的通道。近期,清华大学张强教授团队与中科院山西煤化所陈成猛教授团队合作,发展了一种基于氧化石墨烯的隔膜。这种基于二维材料的氧化石墨烯不仅提供空间物理位阻,还可以作为离子选择性通道,有效阻挡多硫化物阴离子的扩散。相比普通隔膜,电流密度为0.1C时,其可将锂硫电池的库伦效率从67 – 75 %提高到95 – 98 %,容量衰减率从0.43%降低到0.23%。同时,其开路电压经过30小时放置仍然维持在2.5V,而普通隔膜经过5h放置电压就降低到2.18 V。这说明采用氧化石墨烯隔膜可使锂硫电池具有高稳定性以及抗自放电的特性。该研究近期发表于2015年3月25日出版的ACS Nano上

该工作表明,氧化石墨烯隔膜兼具离子选择性和电子绝缘特性,在电化学储能器件的研究中仍然具有重要的地位。这种新型石墨烯膜还将在需对离子通道进行精确调控的系统(如金属-空气电池、燃料电池、电解池、纳滤、离子交换系统)中发挥重要作用。

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