Small Methods: 三维层级多孔碳与导电聚合物构建锂硫电池多层硫电极

锂硫电池硫电极相比于传统锂电池正极有较大的理论质量比能量密度(2600Wh/kg)而受到研究者的广泛关注,但其在实现大规模商业应用之前仍有一系列的技术问题亟待解决,归纳起来主要有以下几点:(1)单质硫和多硫化合物是电的绝缘体(电导率为5×10-30S/cm), 使放电时电极所载的活性硫不能依照反应S+2Li++2e→Li2S充分进行,导致较低的硫利用率和放电比容量。(2)在反应过程中,生成的多硫化合物(Li2S8,Li2S6,Li2S4)极易溶解于常用的醚类电解液中并在充放电过程中在正负极间来回穿梭,形成“穿梭效应”。一方面,这会降低电池的能量转换效率;另一方面,它扩散到金属锂电极上以后会直接在金属电极表面形成不导电的硫化物层,导致电池容量的快速衰减;最后,它也会破坏金属负极表面的固体电解质界面膜(SEI膜),导致负极结构的破坏并形成严重的安全隐患。(3)由于硫电极的充电产物和放电产物的密度不同,导致放电后正极的体积膨胀(最大为80%), 在长期充放电循环中电极的体积反复变化,活性物质容易从集流体脱离,导致循环性能下降。

为了提高硫电极的导电性,研究人员通常将硫和多孔碳材料复合制备成电极,但多孔碳材料的开放孔道并不能较大程度的限制多硫化合物的溶出和扩散,导致电极较差的循环稳定性能。而通过“逆硫化反应”形成的有大量共价键交联聚合的富硫聚合物,虽然能通过化学键作用有效的防止多硫化合物的溶出,但因为其较差的导电性能使电极不能涂覆太厚,导致了富硫聚合物电极较低的活性物质载量。故为了让硫电极同时具有较好的循环稳定性和较高的活性物质载量,近期,美国加州大学圣克鲁兹分校陈少伟教授与暨南大学麦耀华教授课题组合作,利用三维层级多孔碳包覆硫颗粒制备碳包覆硫复合材料,并用高导电聚合物薄膜多次涂覆在同一电极制备了具有多层结构的硫电极。该电极通过三维层级多孔碳包覆和多层导电聚合物阻隔的方式阻止了多硫化合物的溶出和扩散,有效预防“穿梭效益”的发生。同时,制备的三层叠层结构电极提高了活性物质在整个电极的质量比例和活性硫的面积负载量。制备的多层电极在5.8mg/cm2的硫负载量下,依然表现出较好的电化学特性。经测试,该材料在0.1C的倍率电流密度下其首次放电比容量高达1420mAh/g。即使在5C高倍率电流密度下,依然保持 626mAh/g的比容量,显示较强的倍率特性。电极在2C倍率电流密度下经过500循环,未见明显衰减,电极材料内部形貌和结构也没有明显变化,经过计算获得其每次循环的衰减率仅为0.033%。

该工作的相关研究以“Layered Electrodes Based on Three-Dimensional Hierarchical Porous Carbon and Conducting Polymer for High-performance Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在期刊Small Methods (DOI: 1002/smtd.201900028)上,论文通讯作者为加州大学圣克鲁兹分校陈少伟教授和暨南大学麦耀华教授,第一作者为暨南大学曾帅波博士。

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