智能SEI膜:有效抑制锂硫电池“穿梭效应”的新策略

电化学储能器件的发展对新能源的高效利用有着至关重要的作用。其中,锂离子电池已经得到了广泛的应用。然而现行锂离子电池的能量密度依然不足以满足许多应用需求,因此,理论能量密度高达2600Wh/kg的锂硫电池得到了广泛的关注和研究。然而锂硫电池在实际应用中,易溶于电解液的多硫化物(中间产物)形成 “穿梭效应”会直接导致差的电池循环寿命。因此,如何抑制多硫化物的穿梭在锂硫电池正极研究中至关重要。

目前,利用高比表面积的碳材料物理吸附多硫化物和利用极性氧化物化学吸附多硫化物是抑制多硫化物穿梭的主要方法。与之相比,将多硫化物限域在一个密闭空间中是一种更加直接有效的策略。然而,长期以来,这种方法并没有取得很好的成效。这是因为如果仅仅将多硫化物固定在密闭环境中,多硫化物不能与电解液接触,使之不能溶于电解液,沉积于导电材料表面。由于硫及其反应物的导电性极差,硫的反应只能在导电材料表面发生,所以沉积的多硫化物会影响后续硫反应的充分进行,造成硫的利用率低。因此,如何将多硫化物与电解液同时密闭,是这种方法实现成效的前提。

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在锂离子电池中,SEI膜经常被用来隔绝负极材料(碳,锂等)与电解液的接触。而且SEI膜仅仅需要在1V (vs. Li+/Li) 以下几次充放电即可形成,非常方便。受此启发,近期,大连理工大学张凤祥教授和武汉理工大学刘金平教授等人提出了预生长固态电解质界面膜(SEI)包覆的碳(多孔碳球、三维碳纳米管阵列等)/硫复合正极,显著提高了硫电极的循环稳定性。研究者首先利用SEI膜作为一种智能的阻隔层将硫与电解液密封于多孔碳球中,这样,作为正极充放电时,多硫化物可以溶解但不能穿梭,有效地抑制了穿梭效应。而且SEI膜非常“智能”地既阻碍多硫化物的溶出,又允许锂离子的传导,使得电极反应能够充分进行,展现优异的稳定性。进一步,他们将这种方法推广至其它形貌的碳基硫正极,取得了良好的效果;并构筑了三维碳纳米管CNT/S复合阵列电极,深入研究了SEI包覆对电极库伦效率和倍率性能的影响,验证和揭示了SEI膜抑制“穿梭效应”的微观过程及机理。该研究成果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201700273)上。