Adv. Mater.: 提高硫正極循環穩定性的新策略——智能SEI膜有效抑制“穿梭效應”

Nano 6年前 (2017-04-26) 4576瀏覽

【引言】

易溶于電解液的多硫化物形成的“穿梭效應”是造成硫正極循環性能差的主要原因。目前，利用高比表面積的碳材料物理吸附多硫化物和利用極性氧化物化學吸附多硫化物是抑制多硫化物穿梭的主要方法。與之相比，將多硫化物限域在一個密閉空間中是一種更加直接有效的策略。然而，長期以來，這種方法并沒有取得很好的成效。這是因為如果僅僅將多硫化物固定在密閉環境中，多硫化物不能與電解液接觸，使之不能溶于電解液，沉積于導電材料表面。由于硫及其反應物的導電性極差，硫的反應只能在導電材料表面發生，所以沉積的多硫化物會影響后續硫反應的充分進行，造成硫的利用率低。因此，如何將多硫化物與電解液同時密閉，是這種方法實現成效的前提。

【成果簡介】
近日，大連理工大學張鳳祥教授和武漢理工大學劉金平教授（共同通訊作者）等人提出了預生長固態電解質界面膜（SEI）包覆的碳（多孔碳球、三維碳納米管陣列等）/硫復合正極，顯著提高了硫電極的循環穩定性，相關研究成果以“Facile Formation of a Solid Electrolyte Interface as a Smart Blocking Layer for High-Stability Sulfur Cathode”為題在線發表在Advanced Materials上。

在鋰離子電池中，SEI膜經常被用來隔絕負極材料（碳、鋰等）與電解液的接觸。而且SEI膜僅僅需要在1V (vs. Li+/Li) 以下幾次充放電即可形成，非常方便。受此啟發，研究者率先利用SEI膜作為一種智能的阻隔層將硫與電解液密封于多孔碳球中，這樣，作為正極充放電時，多硫化物可以溶解但不能穿梭，有效地抑制了穿梭效應。而且SEI膜非常“智能”地既阻礙多硫化物的溶出，又允許鋰離子的傳導，使得電極反應能夠充分進行，展現優異的穩定性。進一步，他們將這種方法推廣至其它形貌的碳基硫正極，取得了良好的效果；并構筑了三維碳納米管CNT/S復合陣列電極，深入研究了SEI包覆對電極庫倫效率和倍率性能的影響，驗證和揭示了SEI膜抑制“穿梭效應”的微觀過程及機理。

【圖文導讀】

圖1：SEI固硫的原理示意圖及所用多孔碳球的表征。(a) 無SEI膜；（b）無內部電解液；（c）SEI膜將電解液與硫同時包覆；（d）多孔碳球的SEM表征；（e）多孔碳球的TEM表征；（f）多孔碳球及其與硫的復合物的XRD表征。

圖2：SEI的形成過程及其表征。（a）SEI形成過程的充放電曲線；（b-d）SEI的交流阻抗譜表征；（e-f）多孔碳球/硫復合正極的SEM表征；（g-h）SEI包覆的多孔碳球/硫復合正極的SEM表征；（i-j）SEI包覆的多孔碳球/硫復合材料的TEM表征；（k-m）SEI包覆的多孔碳球/硫復合材料的EDS元素分布。