“铁电效应”——抑制锂硫电池多硫化物“穿梭效应”的新策略

锂离子电池具有循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优点,是目前应用最为广泛的二次电池。但随着便携式电子器件、电动工具以及电动汽车的发展,人们对高比能量电池的需求日益增强。在众多二次电池当中,锂硫电池以单质硫(理论比容量1672 mAh/g)作为正极,金属锂(理论比容量3861 mAh/g)作为负极,理论能量密度高达2600 Wh/kg, 远远高于目前采用的锂离子电池,因而受到国内外学者的广泛关注。

锂硫电池在反应过程中存在硫相态变化的多电子反应,放电产物多硫化锂易溶解于有机电解液并向负极扩散,导致活性物质和容量的不可逆损失的“穿梭效应”,大大降低锂硫电池的循环稳定性,阻碍了其实际应用。因此,如何有效抑制多硫化物的“穿梭效应”是提高锂硫电池循环稳定性,实现其商业化应用最为核心的问题。为解决该问题,国内外学者做了大量研究工作,大多通过采用碳材料(介孔碳、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等)、导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯,聚噻吩等)、金属基复合物(金属硫化物、金属氧化物、金属碳化物及金属氮化物等)与硫复合制备出复合正极材料,利用上述各类材料来吸附反应中间产物多硫化锂。

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近期,西北工业大学纳米能源材料研究中心魏秉庆教授、谢科予副教授研究团队与深圳大学材料学院柯善明副教授研究团队合作采用传统电池电极制备工艺,将典型的铁电材料BaTiO3(BTO)纳米颗粒作为添加剂加入到正极浆料之中,利用纳米BTO自身不对称晶体结构产生的自发极化吸附中间产物极性多硫化物,大大提升了锂硫电池的循环稳定性。相比其他思路,该方法操作简单,可无缝衔接到目前锂离子电池电极制造工艺当中,适合工业化生产。采用上述方法制备的含有BTO添加剂的碳硫复合正极材料在电化学测试中,表现出比不含BTO添加剂的碳硫复合正极材料更为优异的倍率性能和循环稳定性。该研究工作提出了抑制锂硫电池多硫化物“穿梭效应”的新策略,为高性能锂硫电池的研发开辟了新的思路。近期发表在了Wiley旗下期刊Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201604724)上。