科技資訊寫作大賽｜大連理工大學邱介山團隊AEM: 可用于構建高能量、高安全性無金屬鋰鋰硫電池的高性能硫化鋰柔性薄膜正極

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我），受到讀者們的廣泛關注。

發展高效的清潔能源存儲技術是我國發展低碳經濟、改善生態環境、緩解能源危機的重大戰略需求。鋰離子電池是當前綜合性能最優的化學電池體系之一。但經過二十余年發展，其性能已趨穹頂，難以滿足高能耗便攜電子設備、電動交通工具、空間技術等新興技術領域的應用需求。

鋰硫電池是一類以單質硫為正極、金屬鋰為負極的新型高能量電池體系，具有高達2600 Wh kg^-1的理論能量密度以及低成本、綠色環保等優點，被公認為極具前景的新一代儲能與動力電池關鍵技術。但傳統鋰硫電池體系中使用的金屬鋰負極與易燃有機電解液易引發電池短路、火災、爆炸等安全風險，使之在特別注重安全性、可靠性的領域，如載人交通工具、空間技術等的應用仍遙遙無期。

作為硫的富鋰態化合物，硫化鋰的理論比容量 (1166 mAh g^-1) 數倍于傳統嵌鋰金屬氧化物正極材料，其初始富鋰結構 (66.67 at.% Li) 避免了嵌鋰體積膨脹效應的發生，特別適用于制造高活性物質負載量的電極。更重要的是，硫化鋰正極可與不含鋰的高容量負極材料?(如硅、錫基材料等) 直接匹配構建無金屬鋰二次電池，從而為高能量、高安全性鋰硫電池的創制提供了新的途徑。類似硫正極，硫化鋰正極的性能也受限于電子離子絕緣性、在電化學反應過程中溶解流失等諸多問題。硫化鋰較高的價格及水氧敏感、高熔點?(1372 ^oC) 等特性也為基于其的復合電極材料設計構筑與電極制造工藝技術帶來了巨大挑戰。

針對以上難題，大連理工大學邱介山、王治宇教授課題組以在空氣中穩定的廉價無機鋰鹽與商業化高分子化合物為前驅體，結合靜電紡絲技術建立了一種新型硫化鋰柔性薄膜正極的構筑新策略。基于硫酸鋰的碳熱還原反應，在聚乙烯吡咯烷酮衍生的氮摻雜納米碳纖維無紡布內部原位均勻鑲嵌尺寸數納米的硫化鋰顆粒，利用二者之間的微觀界面化學耦合作用與介觀尺度三維多級孔導電網絡結構的協同作用實現硫化鋰正極電化學反應活性、結構穩定性與荷質輸運性能的同步提升。在宏觀尺度上，此類材料表現出了優異的柔韌性與結構強度，可直接應用為鋰硫電池正極，無需使用傳統電極制備工藝所需的粘結劑、導電劑與金屬集流體，在簡化電極制造工藝過程的同時可望大大降低電極制造成本。此類硫化鋰柔性薄膜電極中硫化鋰平均負載量可達3.0 mg cm^-2，在0.2-2.0 C倍率條件下，其比容量可達460-730 mAh g^-1且循環穩定性優異。基于簡便易行的電極層疊技術可進一步實現對電極中硫化鋰負載量的精細調控，活性物質平均負載量為9.0 mg cm^-2時其單位面積比容量可達5.76 mAh cm^-2，與高比容量納米氧化鐵負極材料匹配可構建無金屬鋰的扣式或柔性鋰硫電池，展現了硫化鋰正極材料在構筑高能量、高安全性無金屬鋰鋰硫儲能與動力電池方面的應用潛力，在可折疊電子設備、穿戴設備及植入式醫療設備等技術領域也具有潛在應用前景。基于廉價商業化前驅體與工業成熟的靜電紡絲技術的材料制備工藝路線更可為硫化鋰電極的低成本規模化制備與商業化無金屬鋰鋰硫電池的發展提供技術支持與保障。

圖1 .光學及電子顯微照片

紙狀柔性硫化鋰正極的 (a) 光學照片；(b) 電極卷曲后的光學照片；(c)?多層電極的光學照片；(d, e) 掃描電子顯微鏡照片；(f, g) 透射電子顯微鏡照片。

圖2.合成原理、性能對比及外觀展示圖

?(a) 基于靜電紡絲技術與硫酸鋰碳熱還原反應的硫化鋰柔性薄膜正極構筑策略；(b)?不同硫化鋰負載量的柔性薄膜正極的單位面積比容量與文獻報道的對比； (c) 基于硫化鋰柔性薄膜正極與高比容量納米氧化鐵負極的扣式與柔性無金屬鋰鋰硫電池。

這一成果近期發表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201700018) ，共同第一作者為大連理工大學博士生于明亮與王治宇教授，通訊作者邱介山教授。研究得到了國家自然科學基金優秀青年科學基金、中組部青年千人計劃、霍英東教育基金會的資助支持。

原文鏈接：Freestanding Flexible Li2S Paper Electrode with High Mass and Capacity Loading for High-Energy Li–S Batteries(?Advanced Energy Materials, 2017, ?DOI: 10.1002/aenm.201700018)