高活性锂硫电池电极材料制备新进展-精细化工重点实验室

高活性锂硫电池电极材料制备新进展

锂硫电池作为下一代高能量密度储能体系，具有能量密度高、成本低、环境友好等优点。但活性物质硫及充放电产物多硫化物相对较低的导电性和锂离子传导效率，影响了锂硫电池的倍率性能，硫在充放电过程中的体积膨胀及形成的多硫化物在电解液中的溶解容易导致循环寿命降低。因此发展有效的电极材料制备方法，提高材料导电性，减小硫颗粒尺寸，抑制中间产物的溶出，是提高锂硫电池电化学性能的关键。

不同于常规的熔融浸渍和溶剂浸渍负载硫的方法，精细化工国家重点实验室陆安慧教授课题组最近创新性地提出了采用电解法制备硫电极的新策略，采用自制的导电性好、孔道贯通、骨架连续的自支撑整体式炭为电极基体，电解含有多硫离子的电解液，多硫离子在电场力和毛细力的作用下进入炭电极的微孔中，原位还原为硫单质。该方法形成的硫被限制在炭的微孔中，有效防止其逸出，硫颗粒尺寸显著减小，且硫与炭接触紧密。同时，这种硫具有“电化学记忆效应”，表现出高的反应活性。电池性能测试结果显示制备的硫炭电极材料0.5 C下循环500次后容量保持为612 mA h g^-1，4 C下容量仍能达到652 mA h g^-1，明显优于传统熔融方法制备的硫炭电极材料。该制备方法的核心是炭电极基体的选择，这种自制的整体式炭材料由含有石墨烯的微孔炭片相互搭接而成，具有良好的导电网络和相互贯通的大孔，利于电解液的扩散，显著提高了电解效率。相关研究成果最近以“Incorporating sulfur inside the pores of carbons for advanced lithium−sulfur batteries: an electrolysis approach”为题发表在ACS Nano 2016, 10, 1633−1639。采用整体式炭为电极基体，电解制备高活性锂硫电池电极材料的方法可以拓展到其他电池材料的制备过程。该研究工作得到了国家杰出青年基金和国家自然科学基金的资助支持。