Janus隔膜:提升锂硫电池性能的新思路

电化学储能器件对当今社会具有重要作用。能量密度是发展新型电化学储能器件的关键指标。锂硫电池采用金属锂为负极、单质硫为正极,具有高达2600 Wh/kg的理论能量密度,因而受到学界和产业界的广泛关注。然而受限于硫的本征电子传输惰性,同时还因为锂硫电池特有的飞梭效应,其实际能量密度远低于理论值,循环寿命也受到严重制约。传统的思路多集中于电极材料改进。然而电池性能的充分发挥不仅受材料控制,还依赖于电池其他组件的进一步提高。

advs55-gra-0001-m针对高性能锂硫电池的开发,电池隔膜的设计和优化是至关重要的步骤。由于正极硫在充放电过程中逐渐被还原为可溶解的多硫化物,多硫化物将不可避免地溶出并扩散穿过隔膜。进一步还原的多硫化物倾向于重新沉积在正极表面,从而形成绝缘的惰性层,阻碍电子、离子传输和进一步的电化学反应。这是锂硫电池容量低且衰减快的主要原因之一。

近期,清华大学张强研究团队设计了一种新型的Janus隔膜用以提升硫/碳机械混合电极的性能。该隔膜具有两层结构,一层是普通的Celgard隔膜,用以分隔正负极;另一层是石墨化介孔碳层,用以回收、储存正极/隔膜界面的活性材料。该石墨化介孔碳具有高达2100 m2/g的介孔比表面积和3.01 cm3/g的介孔孔容,由少层石墨烯结构基元构筑而成。因此相比传统的微孔碳和炭黑,这种碳材料具有更高的导电性和更强的容纳固体产物的能力。Janus隔膜上的碳负载量仅为0.3 mg/cm2,应用于硫含量和面负载量分别高达80%5.3 mg/cm2的硫正极,容量可从2.6 mAh/cm2提升至5.6 mAh/cm2,且120圈循环后基本保持容量不变。同时隔膜/正极界面的惰性层也得到了完全消除,表明飞梭效应的有效控制。这是首次通过隔膜构筑实现高负载量锂硫电池的重大提升。

Janus隔膜不仅为开发高性能锂硫电池提供了新思路,也可有效应用于其他涉及活性物质流失或者复杂相转变的电化学储能器件如有机正极锂电池、锂空气电池和液流电池等。

本工作以封面文章的形式发表在Wiley旗下开放存取的旗舰期刊《尖端科学》(Advanced Science)上,第一作者为清华大学化工系学生彭翃杰和王岱玮