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福建物構所等高面積/體積能量密度鋰硫電池研究取得進展

2019-04-04     來源:中國科學院

  由于正極材料硫具有高理論容量、低成本和環境友好等優勢,鋰硫(Li-S)電池在下一代儲能系統中表現出很大的應用前景。采用傳統漿料涂布技術制造高硫負載正極材料一般通過設計三維導電網絡以解決在高硫含量條件下導電性問題,將納米材料單元組裝成微米尺寸的二級結構,構筑致密且高振實密度的正極,以增加顆粒堆積并降低空隙度。上述策略在一定程度上改善了面積硫負載量和相應的面積容量,但是大多數報道通常使用導電多孔納米碳作為硫載體,然而由于碳材料的低極性和低的振實密度,使得體系在高硫負載下的體積能量密度和循環性能并不理想。因此,開發用于高面積和體積容量Li-S電池的高振實密度、極性和導電性的新型碳替代物非常重要。

  在國家自然科學基金(2160119121673241, 21471151))、中國科學院戰略性先導科技專項(XDB20000000)、福建省自然基金(2018J01030)的資助下,中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員王瑞虎和溫州大學教授楊植合作報道了未加入任何碳導電添加劑的花狀多孔Ti3C2Tx(FLPT)基正極系統所得FLPT-S電極具有10.04 mAh·cm-2的高面積容量和2009 mAh·cm-3的超高體積容量。此外,非原位電子順磁共振和紫外-可見光譜證明,FLPT能夠在循環過程中實現S62-陰離子與S3·-自由基之間的快速動態平衡,從而促進硫物種的氧化還原反應。該研究為不含導電碳添加劑的MXene基高能量密度Li-S電池的設計提供了靈感。該方法有望擴展到其他高性能電極材料,如鋰離子電池和超級電容器,從而為各種高性能儲能系統的發展帶來巨大希望。上述工作發表在ACS NanoSynchronous Gains of Areal and Volumetric Capacities in Lithium-Sulfur Batteries Promised by Flower-like Porous Ti3C2Tx Matrix, ACS Nano, 2019, 13, 3404-3412)。論文的第一作者為助理研究員肖助兵。

  此前,肖助兵等以提高鋰硫電池面積容量和體積容量為研究目標,先后采用高導電過渡金屬硫化物(TiS2NbS2)作為添加劑應用在鋰硫電池正極以提高電池面積容量和大電流放電容量(Energy Storage Mater. 2018, 12, 252-259ACS Nano 2017, 11, 8488-8498;)。并采用水熱法得到的還原氧化石墨烯/硫化釩(rGO/VS2)復合材料應用于三元硫正極體系中,制備得到具有密堆積三明治結構的rGO/VS2-S正極材料,實現了體積能量密度的大幅提升(Adv. Energy Mater. 2018, 7, 1702337)。此外,采用海藻酸鈉誘導的化學鍵裁剪策略,制備了Ti3C2Tx納米片負載的納米點復合材料,在硫面密度為1.8 mg cm-2時幾乎表現出理論放電行為(ACS Nano, 2019, 13, 3608-3617)。

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