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        物理所等開發電化學活性多功能隔膜涂層提升鋰硫電池性能

        與現有鋰離子電池體系相比,鋰硫電池具有更高的理論能量密度、更低的成本和環境友好等優勢,是下一代高比能電池體系的理想候選之一。硫(S8)是典型的陰離子變價的轉換反應正極材料,優點是理論容量高,但缺點在于電化學反應的中間態產物多硫化鋰極易溶于醚類電解液,穿梭到金屬鋰負極發生不可逆反應,被稱為“穿梭效應”,是限制鋰硫電池循環壽命的最重要原因。同時,在放電過程中,液態的多硫化鋰會形成Li2S絕緣層覆蓋在正極表面,阻礙電子和離子的傳導,使電池的倍率性能下降。因此,解決這些問題的關鍵在于有效控制多硫化鋰的遷移。

          中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源重點實驗室E01組副研究員索鎏敏與美國麻省理工學院教授李巨和博士*江合作,在前期“嵌入-轉化”混合電極大幅提升鋰硫電池單體能量密度研究基礎上(Nature Energy,4, 374–382,2019),首次開發了一種同時具有高電子-離子電導和電化學活性的Chevrel相Mo6S8隔膜多功能涂層,成功解決了上述問題,并將其應用到鋰硫軟包電池的研究中。

          該新型涂層成功抑制了Li2S絕緣層的形成,實現了傳統硫正極的超快速充放(25分鐘充滿/放空)。該涂層對多硫化鋰具有很強的吸附力,成功地阻止了多硫化鋰向鋰負極一側的“穿梭”,實現了工業級高負載硫正極的長壽命循環。更重要的是,不同于傳統非活性涂層會降低全電池能量密度,該新型涂層可以匹配壓實后的硫正極,使能量密度提高20%以上。同時,研究者們與美國布魯克海文國家實驗室合作,利用目前世界上最先進的同步輻射全場X射線掃描成像技術(Full Field X-ray Tomography,FFXT),首次在實際電池運行過程中研究了該涂層材料的演化機理。此外,軟包電池的性能測試進一步表明,該多功能涂層的使用可以將循環壽命提高一倍以上,對推動鋰硫電池商業化具有非常重要的意義。該研究結果近日發表在Cell旗下全新材料類期刊Matter上,文章題目為Manipulating sulfur mobility enables advanced Li-S batteries。

          相關工作得到科技部重點研發計劃(2018YFB0104400)、國家自然科學基金委(51872322)等的支持。


        圖1. PP@LixMo6S8相關性質表征及其在鋰-硫電池中工作原理示意圖


        圖2. PP@LixMo6S8多功能隔膜的原位電化學三維射線成像(In-situ 3D tomography)


        圖3. PP@LixMo6S8功能隔膜在扣式鋰-硫電池中電化學性能


        圖4. PP@LixMo6S8功能隔膜與涂覆碳PP@C隔膜對比圖


        圖5. 采用PP@LixMo6S8功能隔膜的軟包電池電化學性能


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