锂硫电池具有高理论比容量(1675 mAh g-1)和理论能量密度(2600 Wh kg-1),是最具应用前景的二次电池体系之一,可望替代当前广泛使用的锂离子电池。然而,锂硫电池在反应过程中涉及到硫相态变化的多电子反应,放电产物多硫化锂易溶解于有机电解液并向负极扩散,导致活性物质和容量的不可逆损失,大大降低锂硫电池的循环稳定性,阻碍了其实际应用。因此,如何有效抑制多硫化物的“穿梭效应”是提高锂硫电池循环稳定性,实现其商业化应用最为核心的问题。为解决该问题,国内外学者做了大量研究工作,大多通过采用碳材料(介孔碳、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等)、导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯,聚噻吩等)、金属基复合物(金属硫化物、金属氧化物、金属碳化物及金属氮化物等)与硫复合制备出复合正极材料,利用上述各类材料吸附反应中间产物多硫化锂。
近期,西北工业大学材料学院魏秉庆教授(点击查看介绍)、谢科予副教授(点击查看介绍)研究团队与深圳大学材料学院柯善明副教授(点击查看介绍)研究团队合作采用传统电池电极制备工艺,将典型的铁电材料纳米BaTiO3(BTO)作为添加剂加入到正极浆料之中,利用纳米BTO自身不对称晶体结构产生的自发极化吸附中间产物极性多硫化物,大大提升了锂硫电池的循环稳定性。相比其他思路,该方法操作简单,可无缝衔接到目前锂离子电池电极制造工艺当中,适合工业化生产。
图1 具有自发极化特征的纳米BTO晶体结构
采用上述方法制备的正极材料在电化学循环测试中,表现出优异的倍率性能和循环稳定性:含有BTO的碳硫复合正极材料(C/S+BTO)在0.5C(1C = 1675 mAh g-1)的倍率下100次循环后可逆容量可达835 mAh g-1;相比之下,不添加BaTiO3的C/S复合正极材料容量迅速衰减,100次循环后容量仅为只维持在407 mAh g-1。与此同时,随着电流密度的渐增(0.2、0.5、1、2、5C),C/S+BTO正极的比容量分别为978、793、701、622和438 mAh g-1,远远大于C/S正极的比容量(分别为726、545、457、382和286 mAh g-1)。为了进一步证明BaTiO3对多硫化锂的吸附作用,他们对含有BTO的硫正极(S+BTO电极)和不含BTO的硫正极(S)做了可视化对比实验,结果表明:放电1小时后,纯S电池电解液由无色透明变为亮黄色,而S+BTO电池电解液只是变成浅黄色,放电完全后,纯S电池电解液颜色比S+BTO电池仍要深的多,说明S+BTO电池电解液中多硫化物浓度低,可视化实验结果间接证明了BTO对放电产物多硫化锂的强吸附作用。该工作提出了抑制锂硫电池多硫化物“穿梭效应”的新策略,为高性能锂硫电池的研发开辟了新的思路。
图2 (a)(b)分别是不含BTO与含有BTO的硫正极材料在充放电中多硫化物的溶解情况
图3. 含有BTO的硫/碳复合正极材料的循环性能
本研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体、面上与青年基金项目,陕西省自然基金项目,教育部博士点基金项目以及深圳市特种功能材料重点实验室的资助,近期发表在Wiley旗下期刊Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201604724)上。
该论文作者为:Keyu Xie, You You, Kai Yuan, Wei Lu, Kun Zhang, Fei Xu, Mao Ye, Shanming Ke, Chao Shen, Xierong Zeng, Xiaoli Fan, Bingqing Wei
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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604724/full
Ferroelectric-Enhanced Polysulfide Trapping for Lithium-Sulfur Battery Improvement
Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604724
导师介绍
魏秉庆教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/26800
谢科予副教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/26801
柯善明副教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/26802