兼具阻隔多硫化物和抑制锂枝晶生长的隔膜超轻涂层

锂硫电池具有极高的理论能量密度(2600 Wh/kg),在新型电化学储能器件领域的应用备受关注。然而,锂硫电池中硫阴极特有的多硫化物穿梭和锂阳极不可控的锂枝晶生长,显著降低了电池容量和库仑效率,增加了电池的极化和自放电现象,缩短了电池的使用寿命。为此,科学家们采用真空抽滤或刮涂方法,在商业隔膜表面导入功能化夹层,以抑制多硫化物的穿梭、提高锂硫电池的能量密度及使用寿命,但上述方法难以制备功能化涂层结构均匀致密有序、厚度可控的改性隔膜。因此亟需研究、开发能够大规模制备功能化涂层结构致密有序、性能优质改性隔膜的新方法。

近期,华中科技大学叶昀昇副教授和解孝林教授研究团队提出了一种可规模化制备高性能超轻锂硫电池隔膜的新方法。他们首先将商业聚丙烯隔膜在Nafion 溶液中进行预处理,然后在聚二甲基二烯丙基氯化铵/二硫化钼(MoS2)杂化水溶液和聚丙烯酸水溶液中交替浸泡。利用基于静电相互作用的层层自组装(Layer-by-Layer Self-Assembly),将MoS2、聚丙烯酸均匀有序地吸附在商业隔膜的两侧,其中聚丙烯酸层的物理屏蔽和化学吸附作用能够阻隔多硫化物的穿梭,而结构坚固、具有锂离子传导能力的MoS2层可增强隔膜的力学性能、抑制锂枝晶生长,该方法制备的隔膜涂层具有超轻的特点(0.10 mg cm-2)。该改性隔膜所组装的锂硫电池表现出优异的循环稳定性,在1C时可逆面积容量可达2.0 mAhcm-2,2000次循环测试的每次容量衰减率仅为0.029%。该研究工作为先进电池隔膜的制备提供了一种简单、经济、可规模化生产的新方法。

相关工作以“Ultralight Layer-by-Layer Self-Assembled MoS2-Polymer Modified Separator for Simultaneously Trapping Polysulfides and Suppressing Lithium Dendrites”为题发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201802430)上,第一作者为华中科技大学化学与化工学院博士生吴敬一。