Adv. Mater. 國家納米科學中心：鋰硫電池新隔膜-MoS2/Celgard復合膜
【引言】
鋰硫電池具有十分可觀的理論容量（1672 mAh/g）和能量密度（2600 Wh/kg），吸引人們的廣泛關注，是當前的研究熱點之一。目前存在的主要挑戰之一是如何克服“穿梭效應”——即充放電過程中聚硫化物的溶解并在正負極之間穿梭。穿梭效應嚴重損害電化學性能，造成容量快速衰減。
很多研究工作致力解決該問題，提高循環穩定性。最常用的方法是設計特殊的結構，將硫或聚硫化物牢牢地固定在電極上，如采用多孔材料等。這些方法雖然都取得一定的成果，但距離商業化的目標還很遙遠。這些特殊的結構總會在循環過程中因體積膨脹而受到一定的破壞，且本身不會貢獻容量，這種策略明顯是以降低能量密度為代價。
換一個思路，如果采用能夠阻止聚硫化物穿梭的隔膜，將可以解決穿梭效應。一般的隔膜允許所有的離子都穿過，因此在保證鋰離子傳導性的情況下阻止聚硫化物穿過，設計離子選擇性的隔膜是一個有意義的研究方向。
【成果簡介】
最近，中科院國家納米科學中心李連山副研究員、唐智勇研究員（共同通訊）在Advanced Materials發表題為“MoS2/Celgard Separator as Efficient Polysulfide Barrier for Long-Life Lithium–Sulfur Batteries”的文章。研究人員采用具有高鋰離子傳導率的二維柔性MoS2納米片作為屏障層，簡單過濾沉積在傳統的Celgard隔膜，有效抑制了聚硫化物的穿梭，保障了長循環壽命并提高了倍率性能。
圖文導讀：
圖1：MoS2/Celgard復合膜的結構及形貌
(a) 采用MoS2/Celgard復合膜的鋰硫電池結構示意圖。
(b) Celgard隔膜表面的SEM圖及其光學照片。
(c) MoS2/Celgard復合膜表面的SEM圖及其光學照片。
(d) MoS2層的橫截面。
圖2：采用不同隔膜的鋰硫電池的電化學特性
(a) 交流阻抗圖譜評估鋰離子傳導率。
(b) 開路電壓曲線展示了自放電行為。
(c-e) 分別是Celgard隔膜、GO/Celgard復合膜、MoS2/Celgard復合膜的鋰離子遷移數。
表1：Celgard隔膜、GO/Celgard復合膜、MoS2/Celgard復合膜的各種電化學參數匯總
圖3：采用不同隔膜的鋰硫電池循環前后的電化學阻抗分析
(a-b) 分別是采用Celgard隔膜、GO/Celgard復合膜、MoS2/Celgard復合膜的鋰硫電池循環前和循環后的電化學阻抗圖譜。
(c) 循環后的等效電路圖。回路1是Celgard隔膜；回路2是GO/Celgard復合膜；回路3是MoS2/Celgard復合膜。
圖4：MoS2/Celgard復合膜增強鋰硫電池的電化學性能
(a) 采用MoS2/Celgard復合膜的鋰硫電池在0.2 mV/s下的CV曲線。
(b) 采用MoS2/Celgard復合膜的鋰硫電池在0.2 C下的恒流充放電曲線。
(c) 采用Celgard隔膜、GO/Celgard復合膜、MoS2/Celgard復合膜的鋰硫電池在0.5 C下的長循環壽命測試。
【小結】
MoS2/Celgard復合膜能夠有效阻擋聚硫化物的穿梭，并且MoS2具有高鋰離子傳導率，使得鋰硫電池電化學性能得到很大的提升。當硫載量為65%時，首次容量達到808 mAh/g，600次循環后仍保留有401 mAh/g。
文獻鏈接：MoS2/Celgard Separator as Efficient Polysulfide Barrier for Long-Life Lithium–Sulfur Batteries (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606817)
本文由材料人新能源組 蒜頭 供稿，材料牛編輯整理。
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