高倍率超長循環(huán)壽命鋰硫電池研究獲得新進(jìn)展

    鋰電世界  鋰硫電池具有理論能量密度高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，其理論比容量和能量密度分別為1675mA h g-1和2600 mA h g-1，遠(yuǎn)勝于現(xiàn)有鋰離子電池，在新能源動力電池等新興技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，其正極活性物質(zhì)導(dǎo)電率低；充放電過程中生成的多硫化物易溶于電解質(zhì)溶液而造成“穿梭效應(yīng)”；嵌脫鋰過程中所發(fā)生的體積膨脹-收縮等現(xiàn)象導(dǎo)致其出現(xiàn)活性硫物質(zhì)利用率低、循環(huán)壽命短等問題，從而限制了現(xiàn)有鋰硫電池技術(shù)及應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。
    近幾年，研究人員嘗試設(shè)計各式新穎納米結(jié)構(gòu)的硫正極材料以改進(jìn)其電池性能，其中，石墨烯由于其獨特的二維結(jié)構(gòu)，具有比表面積高、導(dǎo)電性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點，極具潛力，可作為導(dǎo)電基質(zhì)應(yīng)用于鋰硫電池體系。
    中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所國際實驗室張躍鋼團(tuán)隊近期提出一種簡易、低成本、可調(diào)控的方法，制備出高倍率、超長循環(huán)壽命的正極復(fù)合材料。該材料將S納米顆粒包裹于氮摻雜石墨烯片層中（S@NG），僅與PVDF粘結(jié)劑混合，不添加任何碳黑材料，其組裝的電池在高放電速率的條件下呈現(xiàn)出極高的比容量，比如：0.2C時為1167 mA h g-1；0.5C時為1058 mA h g-1；1C時為971 mA h g-1；2C時為802 mA h g-1；5C時為606 mA h g-1。此外，該電池可達(dá)到2000次的超長循環(huán)壽命，單次循環(huán)的容量衰減率僅為0.028%。相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在Nano Letters 雜志上（DOI: 10.1021/nl5020475）。
    該電池正極的含硫量可高達(dá)60%，在循環(huán)過程中具備優(yōu)異的庫侖效率（約為97%），即便是經(jīng)過2000次循環(huán)以后，其所呈現(xiàn)的比容量仍可比擬現(xiàn)今最好的鋰離子電池。經(jīng)過X射線吸收光譜與第一性原理模擬分析，該材料優(yōu)異的性能歸功于氮摻雜石墨烯片層中N功能基團(tuán)對多硫化鋰優(yōu)異的吸附性，該研究結(jié)果也證實基于S@NG復(fù)合材料的鋰硫電池具備巨大的潛力可替代現(xiàn)有鋰離子電池應(yīng)用于便攜式電子、新型動力能源等儲能領(lǐng)域。
    以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金的大力支持。