Nature Energy：MOF@GO隔膜解決鋰硫電池中多硫化物“穿梭”問題
成果簡介：
近日鋰電大牛周豪慎【日本國立產業技術綜合研究所(AIST)首席研究員】團隊在Nature Energy上發表了MOF@GO復合隔膜在鋰硫電池應用的文章，極大地緩解了鋰硫電池存在的多硫化合物在電解液中“穿梭”的問題。
鋰/硫電池由于其較低的成本和具有高的理論能量密度，因而成為了最具發展潛力的高能化學電源體系。然而鋰硫電池的一個重大技術難題，即可溶性多硫化合物在電解液中的穿梭問題，會造成其嚴重的快速的能量衰減。作者介紹了一種MOF基隔膜，它可以很好的緩解此問題。此隔膜的功能是作為一種離子篩既可以選擇性的通過鋰離子，又可以阻止多硫化合物穿梭到負極一邊。研究結果表明，含有此MOF基隔膜的鋰硫電池表現出了相當低的容量衰減速率(0.019% per cycle over 1,500 cycles)。并且在前100圈里幾乎沒有任何的能量衰減。
圖文解讀：
圖1：圖解MOF@GO復合隔膜在鋰硫電池的作用
圖1表明，MOF@GO復合隔膜在鋰硫電池中作為一種離子篩，由于其孔道僅有9?，因此可以選擇性地使鋰離子通過，從而阻止多硫化合物（Li2Sn, 4 < n ≤ 8）穿過隔膜。
圖2：MOF@GO隔膜的制備及其結構表征
(a) MOF@GO隔膜的制備過程。起初的MOF在過濾膜的原位上生長出，過濾一定量的稀GO溶液后，在均勻結晶MOF納米顆粒的上面會形成平行的GO層。相鄰的MOF和GO層緊密地附著在過濾膜上，而后經過剝除，與過濾膜分離，就形成了MOF@GO隔膜。
(b) 微孔結晶結構的示意圖。經N2吸附表征后可計算的其孔徑大約為9?。
(c) MOF@GO隔膜的PXRD表征圖。經過200圈的循環，MOF仍保持完整的結構。
(d) MOF@GO隔膜的SEM圖，插圖為MOF邊緣形貌圖。
(e) GO隔膜的SEM圖，插圖為其邊緣形貌圖。
圖3：MOF@GO隔膜的滲透實驗
滲透實驗是在一個V型裝置中進行，中間是隔膜。首先從左邊的管道緩慢注入多硫化合物(0.1M Li2S6)，從右邊的管道緩慢注入黑色的電解液。實驗結果表明MOF@GO隔膜對多硫化合物有很好的隔離能力。
(a) MOF@GO隔膜的滲透實驗，實驗表明經過48 h后其仍保持著對多硫化合物很好地的隔離能力。
(b) GO隔膜的滲透實驗，實驗表明多硫化合物會不斷的穿過隔膜，并最終填滿黑色電解液。
圖4：含MOF@GO隔膜的鋰硫電池的電化學性能
(a) MOF@GO隔膜的鋰硫電池在C/2放電速率下的500圈的放電曲線和庫侖效率。初始放電容量達1,126 mAh g?1，放電容量在第100、300、500圈仍可保持在800 mAh g?1左右，在第100和500圈其容量損失僅有14 mAh g?1。展現了優異的容量保持能力。
(b) MOF@GO隔膜的鋰硫電池在1 C放電速率下的1500圈的循環性能及GO隔膜的鋰硫電池在1 C放電速率下的1000圈的循環性能。GO隔膜雖然有著1,000 mAh g?1的初始放電容量，但是其容量衰減地很快。相反的，MOF@GO隔膜不但有著1,207 mA h g?1的初始放電容量，而且在100圈的放電容量仍有870 mA h g?1，1500圈后仍有855 mA h g?1的放電容量，展現了非常優異的循環性能和容量保持能力。
(c) MOF@GO隔膜的鋰硫電池在C/2放電速率下的充放電電壓曲線。恒電流充/放電電壓平臺與典型鋰硫電池一致，對應著可溶（8 V）和不可溶（2.1 V）多硫化合物的轉換。
圖5：含MOF@GO隔膜的鋰硫電池的倍率性能和充放電電壓曲線圖
(a) MOF@GO隔膜和GO隔膜從C/5 到 3 C放電速率的倍率性能圖。GO隔膜表現出嚴重的容量衰減問題，而MOF@GO隔膜則具有更好的倍率性能。
(b) 不同電流密度下的GO隔膜的充放電電壓曲線圖。具有2個明顯的電壓平臺。
(c) 不同電流密度下的MOF@GO隔膜的充放電電壓曲線圖。在低倍率下2個電壓平臺明顯，而在高倍率下則不如GO隔膜的電壓平臺明顯。
一句話總結：
該工作提出的MOF@GO隔膜在鋰硫電池中可以很好地抑制多硫化合物“穿梭效應”，使得該電池表現出優良的循環性能和很低的容量損失速率；這項工作可以指導我們發展出更多的MOF基隔膜材料用于能量儲存裝置。
該成果發表在Nature Energy上，文獻鏈接: Metal-organic framework-based separator for lithium-sulfur batteries
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