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中國(guó)硫化鋰電池材料研究獲進(jìn)展 或推動(dòng)電動(dòng)汽車進(jìn)步

作者: 時(shí)間:2016-10-29 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

近日,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張躍鋼課題組自主研發(fā)設(shè)計(jì)了原位掃描/透射電鏡電化學(xué)芯片,實(shí)現(xiàn)了其對(duì)(Li2S)電極充電過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè);在充分理解Li2S充放電機(jī)理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高氮摻雜石墨烯負(fù)載材料作為電池正極,并通過(guò)控制充電容量和電壓,顯著提升了

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201610/309632.htm

Li2S的容量利用率及循環(huán)壽命,相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Energy Materials雜志上。

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展,人類對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的需求日益增加,新興儲(chǔ)能系統(tǒng)——鋰硫電池具有理論容量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),備受國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。而研發(fā)高容量鋰硫電池正極材料,對(duì)推動(dòng)新能源、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。

(Li2S)材料理論容量高達(dá)1166 mA h g-1,是其它過(guò)渡金屬氧化物和磷酸鹽的數(shù)倍;其首次脫鋰充電過(guò)程中所發(fā)生的體積收縮能給后續(xù)的嵌鋰放電反應(yīng)提供空間,保護(hù)了電極結(jié)構(gòu)不受破壞;其可與非鋰金屬負(fù)極材料(諸如硅、錫等)組裝電池,有效避免鋰枝晶形成等問(wèn)題所帶來(lái)的安全隱患,是極具發(fā)展?jié)摿Φ匿嚵螂姵卣龢O材料。然而,該材料電子/離子導(dǎo)電率低,反應(yīng)中間產(chǎn)物多硫化物在電解液中的溶解引發(fā)穿梭效應(yīng)等問(wèn)題,限制了其在鋰硫電池中的實(shí)際應(yīng)用。

研究人員為提高鋰硫電池的容量利用率和循環(huán)壽命,通常會(huì)將硫填充至具有高比表面積和高導(dǎo)電性的多孔材料中(如:碳納米管,多孔碳,石墨烯和碳纖維等)。張躍鋼課題組在前期研究工作中發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯上引入氮摻雜官能團(tuán),不僅可以有效減少多硫化物在電解液中的溶解,而且可優(yōu)化多硫化物在沉積過(guò)程中的分布(Nano Letters,2014, 14, 4821−4827)。為了更好地改善Li2S的容量利用率以及循環(huán)壽命,該團(tuán)隊(duì)利用原位表征技術(shù)研究了Li2S溶解和再沉積機(jī)理,進(jìn)而提出將最初活化電池電壓調(diào)控到3.8 V,然后通過(guò)控制電壓(1.7~2.4 V)和充電容量可有效阻止長(zhǎng)鏈可溶性多硫化物的形成,該充放電調(diào)控方法讓電極在充電過(guò)程中保留了一部分不可溶的Li2S作為種子,使得Li2S材料能夠有效地活化和均勻地再沉積。此外,該研究通過(guò)在氮化處理前的氧化石墨烯表面包覆葡萄糖,有效增加了石墨烯的折皺率和彎曲率,進(jìn)而為多硫化物提供了更多的負(fù)載位點(diǎn);反應(yīng)過(guò)程中利用氨水和高溫氨氣熱處理的方法使得氮摻雜量提高至12.2%;該高氮摻雜石墨烯材料不僅具有高導(dǎo)電性,其表面氮官能團(tuán)更能有效減少多硫化物的溶解,優(yōu)化Li2S的均勻分布。利用該高氮摻雜石墨烯-Li2S復(fù)合正極材料所制備的鋰硫電池在2000圈(1C)循環(huán)后其容量仍能保持318 mA h g-1(按硫元素重量折算為457 mA h g-1),3000圈(2C)循環(huán)后仍能保持256 mA h g-1(按硫元素重量折算為368 mA h g-1),是迄今為止所報(bào)道的最長(zhǎng)循環(huán)壽命。

該研究工作首次利用了新開(kāi)發(fā)的原位掃描電鏡和原位透射電鏡芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)硫化鋰電極充電過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè),并在研究

Li2S充放電機(jī)理的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)新的電壓-容量調(diào)控機(jī)制,設(shè)計(jì)了一種新型的高氮摻雜負(fù)載硫化鋰的電極材料,為高能量的Li2S-C /Li電池的應(yīng)用打開(kāi)了廣闊的應(yīng)用前景。

該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院千人計(jì)劃人才專項(xiàng)的大力支持。

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負(fù)載于單層石墨烯電極表面的Li2S材料在LiTFSI-DOL/DME電解液中活化過(guò)程的原位觀測(cè)SEM圖



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