高倍率超長循環壽命鋰硫電池研究獲得新進展

    鋰電世界  鋰硫電池具有理論能量密度高、成本低、環境友好等優點，其理論比容量和能量密度分別為1675mA h g-1和2600 mA h g-1，遠勝于現有鋰離子電池，在新能源動力電池等新興技術領域有著廣闊的應用前景。然而，其正極活性物質導電率低；充放電過程中生成的多硫化物易溶于電解質溶液而造成“穿梭效應”；嵌脫鋰過程中所發生的體積膨脹-收縮等現象導致其出現活性硫物質利用率低、循環壽命短等問題，從而限制了現有鋰硫電池技術及應用的進一步發展。
    近幾年，研究人員嘗試設計各式新穎納米結構的硫正極材料以改進其電池性能，其中，石墨烯由于其獨特的二維結構，具有比表面積高、導電性能優異、結構穩定等優點，極具潛力，可作為導電基質應用于鋰硫電池體系。
    中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所國際實驗室張躍鋼團隊近期提出一種簡易、低成本、可調控的方法，制備出高倍率、超長循環壽命的正極復合材料。該材料將S納米顆粒包裹于氮摻雜石墨烯片層中（S@NG），僅與PVDF粘結劑混合，不添加任何碳黑材料，其組裝的電池在高放電速率的條件下呈現出極高的比容量，比如：0.2C時為1167 mA h g-1；0.5C時為1058 mA h g-1；1C時為971 mA h g-1；2C時為802 mA h g-1；5C時為606 mA h g-1。此外，該電池可達到2000次的超長循環壽命，單次循環的容量衰減率僅為0.028%。相關結果已發表在Nano Letters 雜志上（DOI: 10.1021/nl5020475）。
    該電池正極的含硫量可高達60%，在循環過程中具備優異的庫侖效率（約為97%），即便是經過2000次循環以后，其所呈現的比容量仍可比擬現今最好的鋰離子電池。經過X射線吸收光譜與第一性原理模擬分析，該材料優異的性能歸功于氮摻雜石墨烯片層中N功能基團對多硫化鋰優異的吸附性，該研究結果也證實基于S@NG復合材料的鋰硫電池具備巨大的潛力可替代現有鋰離子電池應用于便攜式電子、新型動力能源等儲能領域。
    以上工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金的大力支持。