新一代高性能锂(钠)硫正极材料: 柔性自支撑的S0.6Se0.4/碳纳米纤维复合膜

锂硫电池具有高达2600Wh/kg的理论比能量,而且单质硫资源丰富、成本低廉、绿色环保,这些优点使其成为极具发展潜力的新型二次电池体系之一。然而,单质硫几乎是电子和离子绝缘体,而且硫电极的放电中间产物多硫化锂易在电解液中溶解流失,导致硫电极的电化学活性低,循环稳定性差,严重制约了锂硫二次电池的开发进程。为了提高单质硫的导电性和抑制“飞梭效应”,国内外研究者主要通过引入导电介质与单质硫复合、改变粘结剂或加入电解液添加剂来抑制多硫化物的溶出,设计合理的电极材料等方法来改善硫电极的循环稳定性。

Smll-yuyan

近期,中国科学技术大学余彦教授团队设计构筑了自支撑的硫硒复合物纳米纤维膜(S0.6Se0.4 @CNFs)。通过一步合成的方法将硫硒复合物(S0.6Se0.4)与聚丙烯腈纳米纤维(PAN paper)在600℃共烧得到了自支撑的S0.6Se0.4 @CNFs电极材料。这种自支撑材料展现出了以下几点优势:(1)一维碳纳米纤维结构为电解液的充分浸润提供了快速通道,促进了电子运输也缩短了离子扩散的距离;(2)在S分子中掺入一定量的Se原子不仅可以提高硫的导电性,S与Se之间形成的化学键还可以对多硫化物的溶解飞梭效应产生抑制效果;(3)三维网络的导电碳基体不仅对S0.6Se0.4起到了物理限制作用,而且与多硫化物之间形成碳硫化学键合,二者协同作用有效抑制了多硫化物在电解液中的溶解,大大提高了硫电极的活性物质利用率;(4)自支撑电极避免使用对电池容量无贡献的金属集流体和粘结剂的使用,进一步提高了电池的体积能量密度和功率密度。当该电极材料被用于Li-S电池和室温Na-S电池的正极材料时,电池展现出了优异的电化学性能。在用于Li-S电池时,0.1A g-1电流下经过100次循环后容量仍有450 mAh g-1,而且库伦效率接近100%;当用于室温Na-S电池时,0.1A g-1电流下经过100次循环后容量为417 mAh g1。这种自支撑电极材料结构的设计不但具有简单、方便、有效等特点,而且可以作为一种普适方法,拓展至其他柔性电池电极材料体系。相关工作发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201603513)上。