Nano Lett.：抑制鋰硫電池穿梭效應新策略

駑馬一越縱橫五洲 7年前 (2017-01-09) 10555瀏覽

【引言】

鋰硫電池質量輕，環境友好，儲量豐富價格低廉而且具有很高的理論容量和比能量密度，作為新一代儲能器件引起廣泛關注。目前距離實現鋰硫電池產業化還有幾道難關等待跨越：①正極材料中電化學轉換不完整，動力學緩慢和硫元素固有的電子導電性差的缺點②臭名昭著的聚硫化物穿梭效應使得電池器件循環能力和容量迅速衰減。其中聚硫化物在負極材料上的反應帶來自放電和很低的庫倫效率被視為鋰硫電池實際應用的主要障礙。

【成果簡介】

來自蘇州大學錢濤博士和晏成林教授（共同通訊作者）的課題組近日在Nano Letter上發表了題為Greatly Suppressed Shuttle Effect for Improved Lithium Sulfur Battery Performance through Short Chain Intermediates的文章，介紹他們在鋰硫電池上的新突破。他們展示了一種硫和巰基修飾后石墨烯納米片之間新的S-S鍵斷裂機理，在沒有添加LiNO3的條件下，正極材料表現出循環穩定好，庫倫效率高的特點。特別的，巰（基）乙胺被選作為氨基和巰基之間的橋梁，使得石墨烯納米片以共價鍵結合聚硫化物。巰基修飾后的氧化石墨烯以共價鍵形式穩定的和硫結合（以S-GSH表示），是循環性能大大提高，循環450次后只衰減了13%，仍然有1022mAh/g的容量。特別的，在電解液中沒有LiNO3修飾條件下，循環500次以后庫倫效率超過了99.8%，表明這種不含LiNO3高穩定性鋰硫電池極大的潛力。

【圖文導讀】

圖1.巰基修飾后的氧化石墨烯（GSH）與S8的共聚合作用

上表明了對氧化石墨烯與半胱胺接枝合成示意圖和巰基與S8之間共聚作用形成硫共聚物的原理圖。

圖2.S-GSH正極材料電化學性能測試圖

A).S-GSH正極材料在1675?mA/g電流密度下充放電循環性能測試圖

B).S-GSH和S-rGO正極材料在1C放點條件下循環性能比較圖

C).電解液中添加與未添加LiNO3兩種條件下，S-GSH電極材料循環性能和庫倫效率測試比較圖

圖3.S-GSH和S-rGO正極材料測試和表征圖

A).S-GSH和S-rGO正極材料在電流密度為1675mA/g條件下庫倫效率測試圖

BC).S-GSH和S-rGO正極材料0.5C循環100次以后，電解液中Li負極表面的SEM照片

圖4.鋰硫電池在?1 M LiTFSI和1?wt%?LiNO3?在乙二醇和二甲氧基乙烷（體積比1:1）電解液首次放電的原位紫外光譜測定表征

A).密封玻璃中電池樣品用于原位紫外/可見光表征的檢測的裝置圖

B).在1 M LiTFSI和1?wt% LiNO3在乙二醇和二甲氧基乙烷（體積比1:1）電解液中的6種不同正極（每個照片底部表示著鋰硫比）

C).各種應用于紫外/可見光譜測量的電壓

D).不同化學計量比鋰硫化物的紫外/可見光譜一階導數曲線

EF).在C/3放電條件下，S-rGO 和 S-GSH電極相應的紫外/可見光譜一階導數曲線

圖5.DFT計算Li嵌入的三個步驟

所有的模型都顯示在最穩定的配置。在模型中，碳（C），氫（H），氮（N），硫（S），氧（O），鋰（Li）元素分別顯示為灰色，白色，藍色，黃色，紅色和粉紅色的球體。

【小結】

作者通過硫共價結合的巰基修飾的石墨烯薄片，控制放電過程中形成的短鏈聚硫化物的方法，阻止了對鋰硫電池性能產生危害的“穿梭效應”。原位紫外/可見光譜表征發現充放電過程中沒有長鏈聚硫化物的產生，通過密度泛函理論計算也表明，大量嵌入鋰離子時形成的產物分別是Li2S, Li2S2, 和?Li2S3.傳統的鋰硫電池在電解液中添加LiNO3多硫化物反應以保護鋰金屬負極，本文在未添加LiNO3的條件下仍然獲得了99.5%的庫倫效率，這將為發展新型碳功能正極材料的鋰硫電池開辟新道路。

原文鏈接：Greatly Suppressed Shuttle Effect for Improved Lithium Sulfur Battery Performance through Short Chain Intermediates（Nano Lett.，2017，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04610）

本文由材料人編輯部新能源學術組 駑馬一越縱橫五洲 供稿。點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

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