華南理工大學AEM綜述: 隔膜修飾和固態電解質抑制Li-S電池中多硫化物的“穿梭效應”

微觀世界 3年前 (2020-06-10) 9171瀏覽

【引言】

可充電鋰硫電池(LSB)由于其理論能量密度高、硫含量豐富，環境友好等特性被認為是下一代高能量密度電池的發展方向。然而，由于LSB自身的一些固有缺點導致其實際能量密度遠低于理論值。主要原因包括硫及其放電產物的絕緣性，S還原為Li2S后的大體積膨脹效應，可溶性多硫化鋰的“穿梭效應”以及鋰負極上的鋰枝晶和死Li。其中，多硫化物的“穿梭效應”是導致LSB電化學性能和循環穩定性差的最關鍵問題之一。已經提出了許多策略來抑制多硫化物的穿梭，包括設計納米結構的復合硫正極，在硫正極上添加極性材料或官能團，通過各種涂層修飾隔膜，以及用固態電解質代替液體電解質。

近日，華南理工大學杜麗教授團隊在Advanced Energy Materials上撰寫了題為“Inhibition of Polysulfide Shuttles in Li–S Batteries: Modified Separators and Solid-State Electrolytes”的綜述文章。文章首先詳細的描述多硫化物穿梭的原理，然后重點介紹了兩種抑制多硫化物穿梭的策略：1）基于對多硫化物的不同影響的改性隔膜，以及2）固態電解質，包括無機固體電解質，固體聚合物電解質和復合固體電解質。最后，還闡述了LSB中改性隔膜和固態電解質的關鍵挑戰和前景。

【圖文導讀】

圖一不同電池體系的理論和實際能量密度以及鋰硫電池的示意圖

圖二多硫化物的穿梭示意圖和典型的鋰硫電池充放電曲線

圖三PP、PE和PEP復合隔膜的SEM圖像

圖四對多硫化物具有物理吸附作用的改性隔膜

（a）帶有MWCNT涂層隔膜的LSB的示意圖。

（b）具有MPC/PEG涂層隔膜的LSB的示意圖。

（c）具有C涂層隔膜的LSB的示意圖。

圖五 基于FHCS涂層隔膜和CFs @ PP隔膜的Li-S電池的示意圖

圖六 基于極性-極性鍵合對多硫化物起化學吸附作用的改性隔膜

（a）使用水熱法對CNT進行表面改性以形成CNTOH。

（b）具有PP隔膜和TiO/MWCNT涂層隔膜的LSB的示意圖。

（c）功能隔膜的合成過程示意圖，以及d）LSB中ZnO/石墨烯功能隔膜的電池的工作機理。

圖七基于路易斯酸堿對多硫化物起化學吸附作用的改性隔膜

（a）鍍有Ni-MOF/MWCNT的PE隔板的示意圖。

（b）合成N-Ti3C2/C納米片和用于LSB的改性PP隔膜的示意圖。

（c，d）抑制LSB中多硫化物穿梭作用的RGO @ SL/PP隔膜的示意圖及rGO @ SL的合成示意圖。

圖八基于靜電排斥力和空間位阻作用的改性隔膜

圖九具有液態電解液和固態電解質的LSB的示意圖。

圖十基于LISICON和NASICON固態電解質的鋰硫電池示意圖

圖十一基于石榴石結構的全固態鋰硫電池

（a）NASICON型LAGP，b）石榴石型LLZO和c）硫代LISICON型LGPS的晶體結構。

（d）具有薄的硫化物電解質的正極支撐全固態電池的制造示意圖，以及e）全固態Li-Li2S電池。

圖十二基于有機-無機復合固態電解質的固態鋰硫電池

（a）在LiTCM和LiTFSI的電解質中在鋰電極上形成的SEI層的示意圖。

（b）PVDF-LiX電解質的Arrhenius圖。

（c）基于LLZO納米結構的全固態LSB的示意圖。

（d）ALD涂層的LATP SSE的制備和ASSLSB的配置示意圖。

（e）LSB的制造原理圖。

【小結】

總之，作者總結了通過改性隔膜和固態電解質兩種策略在抑制鋰硫電池中多硫化物穿梭上的應用。基于最近的研究進展，改性的隔膜可以根據與多硫化物的相互作用（吸附作用，分離作用和催化作用）分為三類。在隔膜修飾中將化學吸附作用與催化作用相結合是抑制多硫化物穿梭并促進LSB中電化學轉化的最有希望的策略。具有協同作用的改性隔膜不僅可以通過強的化學吸附作用抑制多硫化物在陰極側的擴散，而且可以促進多硫化物的快速轉化。因此，可以有效的提高LSB的循環性能和硫利用率。然而，基于改性隔膜的LSB的性能仍不能滿足商業應用的需求，其性能還需要進一步優化。

在LSB中應用固態電解質是本質上解決多硫化物穿梭問題的最有效的策略。在理想的全固態LSB中，可以在放電過程中通過一步固-固轉化反應將活性硫直接還原成Li2S，沒有多硫化物的產生。含有硫化物固體電解質或不含聚合物/液體成分的復合固體電解質的ASSLSB可以實現硫的一步轉化。但是，由于離子電導率低，高界面電阻，化學和電化學不穩定性以及電化學窗口窄，這些ASSLSB的性能仍遠落后于液體電解液的電池性能。此外，ASSLSB系統中活性硫的實際轉化過程和機理仍不清楚。到目前為止，還沒有能夠解決所有上述問題的固態電解質，對于大規模應用而言，還有很長的路要走。

文獻鏈接：“Inhibition of Polysulfide Shuttles in Li–S Batteries: Modified Separators and Solid-State Electrolytes”(DOI: 10.1002/aenm.202000779)

本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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