Advanced Energy Materials:“双化学锚定”聚酰亚胺基隔膜助力高温金属硫电池长寿命安全运行

可充电金属锂-硫电池和镁-硫电池因其成本低、能量密度高(锂硫电池:2600Wh kg-1,镁硫电池:1700 Wh kg-1)等特点而被认为是目前最有前途的储能设备之一。然而,对于电动汽车和大规模储能设备等的实际应用而言,环境的不确定性(如炎热的夏天)、长时间工作(长距离或长时间运行)和散热组件的老化等问题对未来二次电池的耐高温性、安全性和能量密度提出了更高的要求。在某种特定情况下,功能隔膜的设计对于解决电池性能和安全问题具有重要意义。但是,此前功能隔膜的发展大多针对室温电池进行设计和制备。锂-硫电池和镁-硫电池在中高温条件运行过程中,多硫化物会发生更为严重溶解和穿梭,金属枝晶的生长也会更加严重,并且传统的聚烯烃隔膜会发生尺寸收缩进而更易于引发严重的安全问题。因此,理性设计在电池实际运行条件下仍然能够满足要求的隔膜材料是当前发展中高温金属-硫电池的重要研究课题之一。

上海大学可持续能源研究院/理学院赵玉峰教授和材料学院周忠福教授团队通过简单的涂覆方法制备了一种能够使金属-硫电池在高温下安全运行的多功能聚酰亚胺基隔膜。采用静电纺丝耐高温聚酰亚胺无纺布作为基体,基体两侧分别涂覆高反应活性的铜纳米线-石墨烯纳米片涂层(CuNWs-GN)和高模量的锂镧锆氧化合物-聚氧化乙烯聚合物涂层(LLZO-PEO)。首先,通过实验测试和理论计算表明,所制备的聚酰亚胺基隔膜具有多方面优点,如高尺寸稳定性、阻燃性能、优异的电解液润湿性能、有效地抑制锂枝晶生长和对多硫化物具有吸附-锚定-转化功能而抑制其穿梭效应;其次,该隔膜显示出独特的“双化学锚定”功能,即铜纳米线与多硫化物在反应过程中原位生成Cu2S,起到化学固硫的作用,同时这种原位生成的Cu2S在极层面分布更为均匀,并在反应中进一步对多硫化物进行锚定和催化转化,这使得CuNWs-GN涂层比普通的极性涂层具有更强的多硫化物锚定作用;最后,电化学测试表明:在80 ℃的高温、低E/S值(约为6.0 mLE/gS)和较高纯硫正极S载量(3 mg cm-2)等苛刻条件下,所制备的金属-硫电池具有优异的电化学性能。在0.1 A g-1的电流密度下锂-硫电池首次放电比容量为1402.1 mAh g−1,在0.5 A g-1的电流密度下经过300圈循环,每圈循环的平均容量损失率仅为0.24%,该性能数据刷新了高温锂-硫电池的循环寿命记录。而对于镁-硫电池而言,在50 ℃的测试条件下,经过25圈循环后,电池的放电比容量仍有915.3 mAh g−1,这相对于此前所报道采用纯硫正极的镁-硫电池,性能具有大幅度提升。

该工作所设计的聚酰亚胺基多功能隔膜确保了可充电金属-硫电池在高温下的长时间安全稳定运行,这为金属-硫电池的实际应用提供了新的设计途径。相关论文以A Multifunctional Separator Enables Safe and Durable Lithium/Magnesium–Sulfur Batteries under Elevated Temperature为题目在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201902023)上,第一作者为上海大学材料学院/可持续能源研究院联合培养博士生周震芳,上海大学可持续能源研究院/理学院赵玉峰教授和材料学院周忠福教授为通讯作者。