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)的需求日益增大，研究人員都在尋找具有更高比能量的下一代二次電池。鋰硫電池以硫?yàn)檎龢O活性物質(zhì)，基于硫與鋰之間的可逆電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存和釋放，其理論比能量可達(dá)2600 Wh/kg，是目前鋰離子電池的3-5倍，有望被應(yīng)用于動(dòng)力電池、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。

鋰硫電池領(lǐng)域重要科學(xué)與技術(shù)難題之一是單質(zhì)硫及其放電產(chǎn)物 Li2S2，Li2S 是典型的電子和離子絕緣體。因此正極內(nèi)部的電荷傳遞受阻，導(dǎo)致硫利用率低下，無法發(fā)揮其高理論比容量的優(yōu)勢(shì);同時(shí)傳荷效率低下也影響了電池的倍率性能等動(dòng)力學(xué)性能的提升。

近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員陳立桅課題組在理解鋰硫正極電荷傳遞過程的特性，促進(jìn)正極內(nèi)部的電荷高效傳遞的研究中取得了新進(jìn)展。

研究人員從基礎(chǔ)研究入手，聚焦于硫材料的納米尺寸效應(yīng)，制備了粒徑尺寸小于50nm的硫顆粒，并利用導(dǎo)電聚合物PEDOT包覆硫顆粒以期實(shí)現(xiàn)高比容量且高循環(huán)穩(wěn)定性的鋰硫電池(圖1)。研究表明，通過硫材料的納米化可以顯著提升正極內(nèi)部電荷傳遞效率，實(shí)現(xiàn)較高的放電比容量。此工作發(fā)表于 Sci.Rep.,2013,3,1910。在此工作的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步精確控制硫粒子尺寸，利用硫-胺法(Chem. Commun., 2014,50,1202)合成制備了不同粒徑的硫納米顆粒。通過研究硫材料在不同尺度下的傳荷特性，理解其與放電比容量、能量密度、動(dòng)力學(xué)性能等電池性能的關(guān)系(圖2)。研究表明隨顆粒尺寸的減小，電荷傳輸距離隨之減小，硫材料的利用率及動(dòng)力學(xué)特性隨之得到顯著提升。研究人員探索了利用尺寸調(diào)控使硫正極行為趨近或?qū)崿F(xiàn)硫材料的理論比容量的方法。研究表明當(dāng)硫顆粒尺寸減小至約5nm范圍并在較低電流密度下充放電時(shí)，硫正極可以克服傳荷瓶頸，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 1672 mAh/g的理論放電比容量值。此工作對(duì)通過合理的電極設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)鋰硫電池正極高效的電荷傳遞具有指導(dǎo)意義。近日發(fā)表于Nano Lett. 2015, 15, 798。

在進(jìn)行基礎(chǔ)研究的同時(shí)，課題組研究人員還試制了軟包鋰硫電池，努力推動(dòng)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和工程化研發(fā)(圖3)。在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng) “變革性納米制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)聚焦”項(xiàng)目“長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池”的支持下，軟包鋰硫電池的性能指標(biāo)分別能達(dá)到能量密度高于400 Wh/Kg，循環(huán)次數(shù)高于50次。

該系列工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)以及蘇州納米所的經(jīng)費(fèi)資助與研發(fā)條件支持。