锂硫电池中的“双亲”协同反应界面隔膜

化学储能系统已经成为电子、交通及可再生能源行业的技术核心。电池性能是电动汽车、电子产品性能进一步提升遇到的关键瓶颈。锂离子电池经过二十余年发展已接近其穹顶,难以持续满足日益增长的需求。锂硫电池以单质硫作为正极,金属锂作为负极,具有高达2600 Wh/kg的理论能量密度,是下一代二次电池储能系统中极具竞争力的体系之一。但锂硫电池反应涉及多电子反应以及固液间多相转化,一方面反应动力学迟缓问题制约了深度与高倍率充放电,使得化学能难以充分利用;另一方面中间产物多硫化物会在循环过程中向负极侧迁移并与锂反应,造成严重的飞梭效应,腐蚀负极并且显著损耗了电池器件的寿命。

am-zhangqiang

近日,清华大学张强的研究团队提出协同界面的设计思路来解决相关问题。将具有亲锂性的掺氮石墨烯与具有亲硫性的水滑石通过限域生长的方式组合在一起,形成同时具有亲硫亲锂性的“双亲”协同界面。这种反应界面能够显著提升对多硫化物中间产物的吸附和转化,可以直接作为功能性隔膜电解质用在锂硫电池体系中。他们发现,这种“双亲”协同界面对放电中间产物多硫化物具有很好的吸附效果,有效抑制了电池循环过程中的“飞梭效应”,能够有效拦截多硫化物不进入金属锂负极一侧;同时通过对电化学转化过程的监测,他们认识到这种协同界面还有效改善了多硫化物固相液相转化的动力学过程,有效地促进放电产物(Li2S)的沉积析出。将这种功能性隔膜应用于硫负载量达4.3 mg/cm2 的正极体系,循环100圈后仍有800 mAh/g的容量保持,循环性能远优于对照组性能。

该工作提出了“双亲”协同界面的概念,通过合理选择构筑基元,可有效地得到具有不同性质的界面以及材料性能,形成用于高能电池的隔膜电解质材料。协同界面的体系设计可以进一步拓展至更多涉及多电子转移和多相转化的储能系统,为下一代新型储能的发展提供更多可能。

本工作发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201603401)上, 清华大学博士生彭翃杰和本科生张泽文为该文的共同第一作者。

Speak Your Mind