據廈門大學薩本棟微納米科學技術研究院官網2018年1月9日訊：近日，我院方曉亮副教授課題組和化學化工學院鄭南峰教授研究團隊通過合作成功開發了一種構建高性能鋰硫電池的功能化隔膜。相關成果以“A Two-Dimensional Porous Carbon-Modified Separator for High-Energy-Density Li-S Batteries”為題發表在Cell出版集團的能源類新期刊Joule上(DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2017.12.003)。

近年來，鋰硫（Li-S）電池因其高理論能量密度、低成本和環境友好等優點受到研究者們的高度關注，是當前電化學儲能領域的一個重要研究方向。利用客體材料對硫進行負載進而構建Li-S正極是目前提升Li-S電池容量和循環壽命的主要途徑。然而，現有的載硫客體材料結構設計復雜且成本較高雜，相關研究結果尚難以應用于實際的硫正極開發。如何構建兼具低成本、高循環穩定性的高能量密度Li-S電池是當前該研究領域的難點問題。

近來研究表明，通過在正極和隔膜之間插入一層多硫化物的阻擋層，可以有效地抑制Li-S電池充放電過程中的多硫化物中間體的“穿梭效應”，延長電池循環壽命。這一策略為開發由商業碳材料作為載硫材料的高性能鋰硫電池提供了新思路。

然而，大多數的阻擋層重量較大（通常高于0.3mg cm-2），致使阻擋層的引入會降低電池的能量密度，不利于Li-S電池的實際應用。基于此，該研究團隊設計了一種由氮摻雜的二維多孔碳納米片（G@PC）和商業聚丙烯隔膜（PP）復合而成的功能化隔膜（G@PC/PP）。通過簡便的抽濾或涂覆工藝，G@PC可以在PP隔膜上形成一層重量和厚度分別僅為0.075 mg cm-2和0.9 μm的多硫阻擋層。所制備的G@PC/PP功能化隔膜配合使用商業碳材料（炭黑或碳納米管）作為載硫材料即可構建高性能Li-S電池。

使用G@PC/PP功能化隔膜后，采用漿料涂布法制備的炭黑/硫復合物為正極（電極硫百分含量64wt％，硫負載量3.5 mg cm-2）的Li-S電池在5 C（1 C=1675 mA g-1）高倍率下充放電的可逆容量高達688mAh g-1，在1 C倍率下循環500次后能保持754 mAh g-1的高比容量，容量保持率高達88.6％；采用具有自支撐結構的碳納米管/硫復合物為正極（電極硫百分含量70 wt％，硫負載量12.0 mg cm-2）的Li-S電池在0.2 C循環100圈后仍保持12.1 mAh cm-2的高面積容量。這些由商業碳材料構建的Li-S電池在倍率、循環穩定性和能量密度方面均大幅優于現有Li-S電池的報道。該工作所提出的“設計輕質量、高性能的功能化隔膜來提升由商業碳材料制備的Li-S電池性能”這一策略為推動Li-S電池的實際應用提供了新思路。

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