不导电氯化物包覆的碳纳米纤维做为锂硫电池正极载体抑制多硫化锂溶出

随着移动电子设备、无人机以及电动汽车的发展,对高能量、高安全性能的电化学储能系统的需求日益增强。 传统的锂离子电池已经几乎达到其理论容量的极限,锂硫电池具有很高的体积(2.8 kWh L-1)及质量(2.5 kWh kg-1)能量密度,被视为较为理想的下一代二次电池系统之一。但锂硫电池在充放电过程中,会形成可溶于电解液的多硫化物, 多硫化物的溶出会导致正电极活性物质减少,造成不可逆容量损失。同时,硫及硫化锂几乎不导电,会降低锂硫电池电子传输效率及电化学反应效率。为解决这两个问题,多采用正极改性的碳材料作为硫的载体,从而提高硫正极导电性、抑制多硫化锂的溶出。

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(a) 氯化物包覆的碳纳米纤维的示意图, (b) InCl3包覆的碳纳米纤维的扫描电镜图,(c) InCl3包覆的碳纳米纤维的透射电镜图,插图为InCl3的选区电子衍射图,(d) 硫负载量为4 mg cm−2 时的InCl3包覆的碳纳米纤维作为正极载体的锂硫电池在0.2C倍率下的长时间循环性能。

浙江大学陆盈盈课题组利用静电纺丝技术与物理气相沉积的方法,制备了一系列不导电的氯化物包覆的碳纳米纤维材料,作为硫正极材料的载体,首次利用不导电的氯化物来抑制多硫化物的溶出,并取得了较好的实验结果。理论计算结果显示,当氯化物与硫化物的结合能适中时,不仅可以有效地吸附多硫化物,并且不会因为结合力太强而抑制多硫化物扩散到碳纳米纤维表面,进行下一步电化学反应。这一结果与实验结果相吻合,与多硫化物结合能适中的InCl3的电化学循环性能最佳。在高硫负载量的情况下,氯化铟包覆的碳纳米纤维在经过650个充放电循环后,平均每个循环容量仅衰减0.019%。该工作为抑制多硫化物的溶出提供了一个新的思路,通过调控氯化物对多硫化物的吸附作用与扩散作用,最大限度的抑制多硫化物的溶出,促进电化学反应的进行。由于氯化物不导电的特性,电子只能在导电的碳纳米纤维中传输,所以多硫化锂需扩散到碳纳米纤维基体上发生电化学反应;同时,导电的碳纳米纤维对增加硫正极的导电性也有突出的贡献。该工作为抑制多硫化锂的溶出提出了新的思路,为发展高容量、高循环性能的锂硫电池开辟了新的途径。相关论文发表于Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201600175)。