Adv. Energy Mater.:高负载、长循环寿命锂硫电池的三明治结构

【引言】

锂硫电池具有非常高的理论容量和理论能量密度，并且硫的储量丰富，价格便宜，而且经济环保。但是锂硫电池在应用方面仍然受到诸多因素的限制。硫自身的导电性差，放电过程中产生的难溶物会导致大的体积变化。更重要的是，多硫化物的溶解和迁移造成的穿梭效应导致容量的快速衰减、自放电和库伦效率低等问题。为了解决这一问题，各种多层的碳材料，如多孔碳、碳纳米管和石墨烯都被用来负载硫和限制多硫化物的溶解。另外，碳材料可以增强导电性和抑制体积变化。但是目前遇到的问题是很难制备高负载量的Li-S体系，在大多数报道当中，硫的面负载量一般低于2 mg cm^-2，这样的结果将会极大地抵消锂硫电池高能量密度的优势。因此采用合理的策略，不仅能够增加硫的负载量，而且能够提高循环性能和硫的利用率是非常必要的。

【成果简介】

近日，北京科技大学数理学院的于明鹏博士（通讯作者）课题组在Advanced Energy Materials上发表了题为“Freestanding and Sandwich-Structured Electrode Material with High Areal Mass Loading for Long-Life Lithium–Sulfur Batteries”的文章。利用结构设计的策略制备出一种混合、独立式的三明治电极结构。对于聚硫化物溶解的多层次拦截可以有效保留可溶硫化物并提高硫的利用率。氮掺杂的石墨烯由于配位相互作用会提高硫的负载量和导电性。超长碳纳米管和羟基功能化的纳米纤维素的集成化更进一步提高了材料的性能。基于这种复合材料的锂硫电池展现出很高的放电容量、优异的倍率性能和循环稳定性。

【图文导读】

图1 独立式电极材料制备过程示意图

图中为独立式三明治结构电极材料的制备步骤。（NFC为羟基功能化纳米纤维素，NG为氮掺杂石墨烯）

图2 电极的表面形貌表征

（a）电极的数码照片

（b）电极的数码照片（柔性）

（c）面内的SEM照片

（d）在顶层和中间活性层之间边界的SEM图像

（e）拉进视野的中间活性层表面形貌（（d）图中的黄圈部分）

（f）硫负载量为8.1 mg cm^-2的电极的3D XRM图片。为了对比明显，黄色为硫，灰色和白色分别为最外层和中间层的碳。

（g-l）放大之后C,S,O,N元素的分布情况。

图3 电极中不同组分的性能表征

（a）NG，硫粉末，电极和CNT/NFC纤维的XRD图谱

（b）NG，硫粉末，电极和CNT/NFC纤维的的拉曼光谱

（c）NFC纤维的傅里叶变换红外光谱图

（d）两种电极的应力-应变曲线

图4 电极的电化学性能表征

（a）0.05 mV s^-1扫速下电极的CV曲线

（b）不同循环次数电极的恒流充放电曲线

（c，d）电极在0.25C和0.5C下的循环性能，电极的库伦效率也表示在图中。

图5 进一步的电化学性能表征和循环性能测试

（a）电极在不同循环下的面容量

（b）电极在不同电流密度下的倍率性能

（c）近期文献与本文中锂硫电池面容量对比

（d）实验验证软包电池在平坦和弯曲状态下都能点亮三个蓝色LED灯。

图6 循环后电极的表面形貌表征

（a，b）硫负载量为8.1 mg cm^-2的电极在0.1C100次循环后的SEM和EDS图像。图中也列出相应的C，S，O，N元素的像。

图7 循环后锂金属表面的形貌表征

（a）在0.5C循环1000次后锂金属表面的SEM图像

（b-d）（a）中正方形区域在不同放大倍数下的SEM图像

（e-f）部分粉化的区域（（a）中的点圈部分）

图8 Li₂S的吸附结构

通过密度泛函理论计算得到最稳定的Li₂S的吸附结构（a）在CNT表面，（b，c）羟基功能化的CNT表面。S，C，Li，H元素分别为黄，黑，红，绿，灰色。

【结论】

该工作制备出新奇的独立式三明治电极结构，用于锂硫电池正极材料。碳材料物理封装的协同效应和通过化学功能化形成的LiPSs的化学吸附性使得材料的导电性得到提高，多硫化物的溶解受到抑制。此外，优异的电化学性能，特别是高的倍率容量和循环稳定性表明了氧化还原反应动力学的充分进行。这可以认为是电荷传输得到了促进和穿梭效应得到了抑制。这种方法将会推动高性能锂硫电池的进一步发展。

原文链接：Freestanding and Sandwich-Structured Electrode Material with High Areal Mass Loading for Long-Life Lithium–Sulfur Batteries （Adv. Energy Mater.,2017,DOI:10.1002/aenm.201602347）

本文由材料人编辑部新能源学术组wangcong供稿。

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