與現(xiàn)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(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，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(jià)的轉(zhuǎn)換反應(yīng)正極材料，優(yōu)點(diǎn)是理論容量高，但缺點(diǎn)在于電化學(xué)反應(yīng)的中間態(tài)產(chǎn)物多硫化鋰極易溶于醚類電解液，穿梭到金屬鋰負(fù)極發(fā)生不可逆反應(yīng)，被稱為“穿梭效應(yīng)”，是限制鋰硫電池循環(huán)壽命的最重要原因。同時(shí)，在放電過(guò)程中，液態(tài)的多硫化鋰會(huì)形成Li2S絕緣層覆蓋在正極表面，阻礙電子和離子的傳導(dǎo)，使電池的倍率性能下降。因此，解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵在于有效控制多硫化鋰的遷移。

 

      中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室E01組索鎏敏副研究員與美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授和薛偉江博士合作，在前期“嵌入-轉(zhuǎn)化”混合電極大幅提升鋰硫電池單體能量密度研究基礎(chǔ)上（Nature Energy，4, 374–382，2019），首次開(kāi)發(fā)了一種同時(shí)具有高電子-離子電導(dǎo)和電化學(xué)活性的Chevrel相Mo6S8隔膜多功能涂層，成功解決了上述問(wèn)題，并將其應(yīng)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(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)硫正極的超快速充放（25分鐘充滿/放空）。該涂層對(duì)多硫化鋰具有很強(qiáng)的吸附力，成功地阻止了多硫化鋰向鋰負(fù)極一側(cè)的“穿梭”，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)高負(fù)載硫正極的長(zhǎng)壽命循環(huán)。更重要的是，不同于傳統(tǒng)非活性涂層會(huì)降低全電池能量密度，該新型涂層可以匹配壓實(shí)后的硫正極，使能量密度提高20%以上。同時(shí)，研究者們與美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，利用目前世界上最先進(jìn)的同步輻射全場(chǎng)X射線掃描成像技術(shù)（Full Field X-ray Tomography FFXT），首次在實(shí)際電池運(yùn)行過(guò)程中研究了該涂層材料的演化機(jī)理。此外，軟包電池的性能測(cè)試進(jìn)一步表明，該多功能涂層的使用可以將循環(huán)壽命提高一倍以上，對(duì)推動(dòng)鋰硫電池商業(yè)化具有非常重要的意義。該研究結(jié)果近日發(fā)表在Cell旗下全新材料類旗艦期刊Matter上，文章題目為“Manipulating sulfur mobility enables advanced Li-S batteries”。

 

      相關(guān)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0104400）、國(guó)家自然科學(xué)基金委（51872322）等的支持。

 

圖 1. PP@LixMo6S8相關(guān)性質(zhì)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(xué)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(xué)性能

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

圖 5. 采用PP@LixMo6S8功能隔膜的軟包電池電化學(xué)性能