锂硫电池研究取得新进展

  近日,国际知名学术期刊ACS Nano以“介孔石墨烯弥散异质结锡基锂硫电池隔膜涂层新体系”为题,在线报道了华东理工大学化工学院功能炭材料研究团队在锂硫电池领域研究的新进展。

  锂硫电池因硫的低成本、超高的理论容量和高能量密度等优势,被认为是继锂离子电池之后最具应用前景的电化学储能体系之一。对硫正极而言,可多硫化锂溶于电解液形成“穿梭效应”,导致活性物质硫利用率低和容量快速衰减等问题;对锂负极而言,锂枝晶的不可控生长容易引发电池短路甚至有安全隐患。因此,如何在电池长期循环过程中同步抑制“穿梭效应”和“枝晶生长”成为锂硫电池实际应用进程中一项艰巨的技术挑战。

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  针对以上问题,功能炭材料研究团队合成了一种“双功能”石墨烯介孔SnO/SnSe纳米片用作锂硫电池的隔膜修饰层(G-mSnO/SnSe),其具备高电导率、强化学吸附位点(SnO)和动态插层转换动力学(LixSnSe)等特点。研究人员采用原位XRD、原位Raman、非原位XANES和DFT模拟计算,证实了该隔膜修饰层对“穿梭效应”具有较好的抑制作用,并且能促进多硫化锂催化转化。

  此外,G-mSnO₂/SnSe较强的亲锂位点和多孔结构有助于降低锂的成核过电位和Li剥离与沉积过程中负极表面的均匀成核,进而有效抑制锂枝晶生长。当G-mSnO/SnSe用作锂硫电池的隔膜修饰层时,展现出优异的电化学性能:高硫利用率、长循环寿命和倍率性能;Li|Li对称电池在1 mA cm⁻²/1 mAh cm²条件下可稳定循环2200 h以上,Li-Cu电池经500次循环后库伦效率仍维持在99%以上。此外,所组装的1.6 g S/Ah级软包电池在低电解质/硫比率和低负极/正极比条件下,电池其能量密度仍然高达359 Wh/kg。

  华东理工大学化工学院詹亮教授和北京理工大学陈人杰教授为该论文通讯作者,研究工作得到了国家自然科学基金等项目资助。


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