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長循環壽命锂硫電池:基于石墨烯的結構

来源:寶鄂實业    2019-03-21 15:04    點擊量:

   随着通訊便攜式電子設備、空間技術等領域的快速發展,人們對電池的要求變得越来越高,使得高容量、長循環壽命、低成本及環境友好的新型股票配资世界開發成为一個熱门的研究領域。近年来發現,以單質硫为正極活性材料的锂硫(Li-S)電池能夠突破傳統的過渡金屬氧化物基正極物質的理論儲锂容量限制(當發生電池反應S + 2Li = Li2S時,相應的理論比能量为2567 Wh/Kg及正極理論比容量高达1675 mAh/g,且硫和锂的反應具有可逆性),且锂硫電池中的正極材料硫具有儲量豐富、無毒、廉价等特點而倍受關注。

  然而,雖然锂硫電池具備上述优勢,在實際應用之前許多問題仍有待解決。例如硫的低電導率、電池充放電過程中産生易溶解于有機電解液的多硫化锂、及生成的Li2S終産物導電性差且不溶解,都容易影響電極中活性硫的利用率及電池性能。同時單質硫和Li2S由于兩者密度的不同,容易導致充放電過程中硫和Li2S體積改變,使電極産生壓力并破壞其結構穩定性,導致電池容量易快速衰減。而且,電極中高度可溶的多硫化物能在陰極和陽極之間穿梭,并在陰極和陽極之間形成固态Li2S2/Li2S庫,造成了硫的不可逆損耗,这将導致電池的庫倫效率低、低循環承載力及高阻抗。为了攻克锂硫電池開發中的瓶頸,研究人員采取了多種手段包括添加電子導體與硫複合提高導電性、抑制多硫化物過多溶解、增加锂負極保護等方法,并取得了不錯了進展。

  有趣的是,近期来自中科院金屬研究所沈陽材料科学國家(聯合)實验室的成會明課題組發現石墨烯可作为硫電極及電池隔膜的保護及導電層從而形成一個獨特三明治結構(如示意圖),在增加導電性的同時确保多硫化锂不會穿透電池隔膜而腐蝕锂負極,從而提高锂硫電池的性能。該文章還指出,與使用鋁箔作为正極集電體及使用未包覆石墨烯的商品化電池隔膜情況相比,采用石墨烯作为正極集電體(Graphene Current Collector, GCC)和石墨烯隔膜(Graphene membrane coated commercial polymer separator, G-separator)能夠有效地降低集電器、活性材料和電解液的接觸阻抗。更值得關注的是,包被有兩層石墨烯的電極能提供快速的離子和電子通道,适應硫體積膨脹,儲存并重複利用遷移的多硫化物以減輕穿梭效應。石墨烯集電體的輕質特點還使其構成的锂硫電池具有更高的能量密度。此外,由于石墨烯對于的包裹,是得硫極能夠直接和碳黑複合,而不需使用特殊的炭基質或多聚物包被,從而簡化了電極的制備過程。同時,該文章還展示了大面積石墨烯集電器及石墨烯隔膜的制備,預示着該設計可用于大規模工业化生産的可能性。

  該研究成果證實了利用石墨烯包裹電極及隔膜可作为一個簡單且高效的策略提升锂硫電池的性能,從而为高容量、長循環、易加工的锂硫電池開發提供了一種新思路。

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