科技资讯写作大赛｜大连理工大学邱介山团队AEM: 可用于构建高能量、高安全性无金属锂锂硫电池的高性能硫化锂柔性薄膜正极

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发展高效的清洁能源存储技术是我国发展低碳经济、改善生态环境、缓解能源危机的重大战略需求。锂离子电池是当前综合性能最优的化学电池体系之一。但经过二十余年发展，其性能已趋穹顶，难以满足高能耗便携电子设备、电动交通工具、空间技术等新兴技术领域的应用需求。

锂硫电池是一类以单质硫为正极、金属锂为负极的新型高能量电池体系，具有高达2600 Wh kg^-1的理论能量密度以及低成本、绿色环保等优点，被公认为极具前景的新一代储能与动力电池关键技术。但传统锂硫电池体系中使用的金属锂负极与易燃有机电解液易引发电池短路、火灾、爆炸等安全风险，使之在特别注重安全性、可靠性的领域，如载人交通工具、空间技术等的应用仍遥遥无期。

作为硫的富锂态化合物，硫化锂的理论比容量 (1166 mAh g^-1) 数倍于传统嵌锂金属氧化物正极材料，其初始富锂结构 (66.67 at.% Li) 避免了嵌锂体积膨胀效应的发生，特别适用于制造高活性物质负载量的电极。更重要的是，硫化锂正极可与不含锂的高容量负极材料 (如硅、锡基材料等) 直接匹配构建无金属锂二次电池，从而为高能量、高安全性锂硫电池的创制提供了新的途径。类似硫正极，硫化锂正极的性能也受限于电子离子绝缘性、在电化学反应过程中溶解流失等诸多问题。硫化锂较高的价格及水氧敏感、高熔点 (1372 ^oC) 等特性也为基于其的复合电极材料设计构筑与电极制造工艺技术带来了巨大挑战。

针对以上难题，大连理工大学邱介山、王治宇教授课题组以在空气中稳定的廉价无机锂盐与商业化高分子化合物为前驱体，结合静电纺丝技术建立了一种新型硫化锂柔性薄膜正极的构筑新策略。基于硫酸锂的碳热还原反应，在聚乙烯吡咯烷酮衍生的氮掺杂纳米碳纤维无纺布内部原位均匀镶嵌尺寸数纳米的硫化锂颗粒，利用二者之间的微观界面化学耦合作用与介观尺度三维多级孔导电网络结构的协同作用实现硫化锂正极电化学反应活性、结构稳定性与荷质输运性能的同步提升。在宏观尺度上，此类材料表现出了优异的柔韧性与结构强度，可直接应用为锂硫电池正极，无需使用传统电极制备工艺所需的粘结剂、导电剂与金属集流体，在简化电极制造工艺过程的同时可望大大降低电极制造成本。此类硫化锂柔性薄膜电极中硫化锂平均负载量可达3.0 mg cm^-2，在0.2-2.0 C倍率条件下，其比容量可达460-730 mAh g^-1且循环稳定性优异。基于简便易行的电极层叠技术可进一步实现对电极中硫化锂负载量的精细调控，活性物质平均负载量为9.0 mg cm^-2时其单位面积比容量可达5.76 mAh cm^-2，与高比容量纳米氧化铁负极材料匹配可构建无金属锂的扣式或柔性锂硫电池，展现了硫化锂正极材料在构筑高能量、高安全性无金属锂锂硫储能与动力电池方面的应用潜力，在可折叠电子设备、穿戴设备及植入式医疗设备等技术领域也具有潜在应用前景。基于廉价商业化前驱体与工业成熟的静电纺丝技术的材料制备工艺路线更可为硫化锂电极的低成本规模化制备与商业化无金属锂锂硫电池的发展提供技术支持与保障。

图1 .光学及电子显微照片

纸状柔性硫化锂正极的 (a) 光学照片；(b) 电极卷曲后的光学照片；(c) 多层电极的光学照片；(d, e) 扫描电子显微镜照片；(f, g) 透射电子显微镜照片。

图2.合成原理、性能对比及外观展示图

 (a) 基于静电纺丝技术与硫酸锂碳热还原反应的硫化锂柔性薄膜正极构筑策略；(b) 不同硫化锂负载量的柔性薄膜正极的单位面积比容量与文献报道的对比； (c) 基于硫化锂柔性薄膜正极与高比容量纳米氧化铁负极的扣式与柔性无金属锂锂硫电池。

这一成果近期发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201700018) ，共同第一作者为大连理工大学博士生于明亮与王治宇教授，通讯作者邱介山教授。研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金、中组部青年千人计划、霍英东教育基金会的资助支持。

原文链接：Freestanding Flexible Li2S Paper Electrode with High Mass and Capacity Loading for High-Energy Li–S Batteries( Advanced Energy Materials, 2017,  DOI: 10.1002/aenm.201700018)