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铁电增强的锂硫电池多硫化物锚定新策略

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

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

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


X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714


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