Advanced Energy Materials: 负载钴纳米粒的碳纳米片修饰隔膜实现高能量密度锂硫电池的构筑

锂离子电池被广泛应用于我们的日常生活。随着社会发展,传统的锂离子电池已经不能满足对能源存储的需求。锂硫电池由于高的理论比容量和能量密度、以及硫的低成本和环境友好等优势被视为最有应用前景的存储体系之一。然而,锂硫电池的商业化应用仍存在一些技术挑战,如固体硫化物的绝缘性,可溶性长链多硫化物的穿梭效应以及充放电期间硫的体积变化大。这些问题通常导致硫的利用率低,循环寿命差,甚至一系列安全问题。虽然当前锂硫电池的电化学性能取得了一系列发展,但是大多数都是基于相对低的硫含量(<70 wt%)或硫面密度(<2.0 mg cm−2),因此导致低的放电面容量或体积容量,如何大幅提高锂硫电池的实际能量密度已成为当前研究的热点之一。

最近,中国科学院福建物质结构研究所王瑞虎课题组制备了负载钴纳米粒的氮掺杂多孔碳和石墨烯纳米片(Co-Nx@NPC/G) 作为传统Celgard隔膜的涂层,利用碳纳米片对多硫化物的吸附作用及钴的催化效应,实现了锂硫电池面容量和体积容量的同步提高。

王瑞虎课题组程志斌博士以离子聚合物包覆氧化石墨烯为前驱体,利用离子交换和高温焙烧技术制备得到了负载钴纳米粒的氮掺杂多孔碳和石墨烯纳米片。该复合材料修饰的隔膜不仅可以通过物理/化学作用有效阻挡多硫化物穿梭通过隔膜,而且可以起到电催化剂作用,将被拦截的多硫化物进行催化转化。修饰隔膜的使用,使高载硫(10.5 mg cm-2)自支撑电极在0.1 C的条件下表现出高的放电面容量(12.5 mA h cm-2)和体积比容量(1136 mAh cm-3)。该电化学性能优于目前报道的大多数碳基正极材料,实现了锂硫电池的高硫负载量,高体积比容量和面容量,这些结果对高能量密度锂硫电池的设计构筑具有重要意义。相关论文以题为“Separator Modified by Cobalt-Embedded Carbon Nanosheets Enabling Chemisorption and Catalytic Effects of Polysulfides for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries”发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201901609)上。