Small Structures:自支撑纳米结构作为新兴平台构筑高性能锂硫电池

随着全球范围内能源需求量增加以及环境恶化,开发清洁、可再生能源成为社会可持续发展的必然要求,如风能、太阳能、潮汐能等。但是这些属于间歇式能源,需通过电化学储能系统使之转化为稳定的电能后才能规模化使用。因此,开发高能量密度的能源存储装置对于有效储存可再生能源至关重要。在各种储能装置中,锂硫电池具有较高的理论能量密度(2600 Wh kg-1)和较低的成本,展现出很好的应用前景。然而,锂硫电池面临着比容量低、循环寿命短以及库仑效率差等严峻挑战,阻碍了其实用化的发展进程。针对上述问题,研究人员主要从硫载体设计、功能化隔膜修饰和锂负极保护三个方面来提高锂硫电池的电化学性能。这些方法的成功运用在很大程度上取决于电极结构和界面层的设计与优化。其中,自支撑结构通常由纳米结构单元组装而成,无需粘结剂和集流体,具有优异的机械强度、良好的导电性以及丰富的孔结构等特点,在用作硫载体、功能化隔膜夹层以及保护锂负极方面有着独特的优势。

近日,南开大学化学学院牛志强研究员团队联合天津理工大学材料科学与工程学院刘丽丽博士(共同通讯作者)详细综述了自支撑纳米结构在锂硫电池中的研究进展。本论文首先描述了开发设计自支撑纳米结构用于构建硫正极、功能化隔膜以及保护锂负极的意义,进一步全面总结了基于碳纳米管、石墨烯和MXenes结构单元构建自支撑纳米结构硫正极的研究成果,并深入讨论了各结构单元的优势与不足。此外,他们还归纳了自支撑纳米结构在功能化隔膜和锂负极保护方面的应用。最后,讨论了自支撑纳米结构用于构建高性能锂硫电池面临的问题与挑战,并对其进一步发展应用给出了合理的建议。本论文将为实现高能量密度锂硫电池并推动其实用化进程提供新思路与参考。相关工作以“Free-Standing Nanostructured Architecture as a Promising Platform for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在Small Structures(DOI: 10.1002/sstr.202000047上。