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我院锂硫电池研究取得新进展
2017-05-12 11:22 郭峻岭    (点击:)

近日,我院张凤祥老师带领研究生在锂硫电池正极研究方面取得重要进展,提出了固态电解质界面膜包覆的正极结构,并获得了很好的电池循环稳定性。相关研究成果在材料领域国际顶级期刊Advanced Materials上正式发表(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201700273/full)。

低循环稳定性严重限制了高能量密度的锂硫电池的应用,而易溶于电解液的多硫化物形成的“穿梭效应”是造成这一问题的主要原因。针对这一问题,研究小组在前期纳米空心碳球(J. Alloys. Compds.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.04.258)以及氧化物纳米阵列(J. Mater. Chem. A.http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ta/c7ta00475c)固硫策略的基础上,设计了预生长固态电解质界面膜(SEI)包覆的碳(多孔碳球、三维碳纳米管阵列等)/硫复合正极,显著提高了硫电极的循环稳定性。在锂离子电池中,SEI膜经常被用来隔绝负极材料(碳,锂等)与电解液的接触,而且SEI膜仅仅需要在1V (vs. Li+/Li)以下几次充放电即可形成。受此启发,研究组率先提出采用SEI膜作为一种智能的阻隔层将硫与电解液密封于多孔碳球内部。该结构的正极充放电时,多硫化物可以溶解但不能穿梭,而且SEI膜非常智能地既阻碍多硫化物的溶出,又允许锂离子的传导,使得电极反应能够充分进行,展现优异的稳定性。进一步,他们将这种方法推广至其它形貌的碳基硫正极,构筑了SEI包覆的三维碳纳米管CNT/S复合阵列电极,深入研究了SEI包覆对电极库伦效率和倍率性能的影响,验证和揭示了SEI膜抑制“穿梭效应”的微观过程及机理。研究表明:采用SEI包覆的正极可在0.5C倍率下实现75 %的容量保持率(400循环);2C充放电运行600循环后容量保持率为71 %,均显著高于无SEI包覆的电极。

通过SEI控制穿梭效应是在传统固硫策略基础上取得的新进展,是高性能锂硫电池正极结构设计的全新思路,对于促进锂硫电池循环稳定性的提升具有重要理论意义和促进作用。该工作是与武汉理工大学刘金平教授(共同通讯作者)合作研究的成果。论文第一作者为2015级博士生郭峻岭;2014级硕士生杜新宇和张小龙参与了研究。工作得到了精细化工国家重点实验室(盘锦)和国家自然科学基金的支持。

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