據(jù)廈門大學(xué)薩本棟微納米科學(xué)技術(shù)研究院官網(wǎng)2018年1月9日訊：近日，我院方曉亮副教授課題組和化學(xué)化工學(xué)院鄭南峰教授研究團(tuán)隊通過合作成功開發(fā)了一種構(gòu)建高性能鋰硫電池的功能化隔膜。相關(guān)成果以“A Two-Dimensional Porous Carbon-Modified Separator for High-Energy-Density Li-S Batteries”為題發(fā)表在Cell出版集團(tuán)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(huán)境友好等優(yōu)點受到研究者們的高度關(guān)注，是當(dāng)前電化學(xué)儲能領(lǐng)域的一個重要研究方向。利用客體材料對硫進(jìn)行負(fù)載進(jìn)而構(gòu)建Li-S正極是目前提升Li-S電池容量和循環(huán)壽命的主要途徑。然而，現(xiàn)有的載硫客體材料結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜且成本較高雜，相關(guān)研究結(jié)果尚難以應(yīng)用于實際的硫正極開發(fā)。如何構(gòu)建兼具低成本、高循環(huán)穩(wěn)定性的高能量密度Li-S電池是當(dāng)前該研究領(lǐng)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(yīng)”，延長電池循環(huán)壽命。這一策略為開發(fā)由商業(yè)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(shù)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(yīng)用。基于此，該研究團(tuán)隊設(shè)計了一種由氮摻雜的二維多孔碳納米片（G@PC）和商業(yè)聚丙烯隔膜（PP）復(fù)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(yè)碳材料（炭黑或碳納米管）作為載硫材料即可構(gòu)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(fù)合物為正極（電極硫百分含量64wt％，硫負(fù)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(dá)688mAh g-1，在1 C倍率下循環(huán)500次后能保持754 mAh g-1的高比容量，容量保持率高達(dá)88.6％；采用具有自支撐結(jié)構(gòu)的碳納米管/硫復(fù)合物為正極（電極硫百分含量70 wt％，硫負(fù)載量12.0 mg cm-2）的Li-S電池在0.2 C循環(huán)100圈后仍保持12.1 mAh cm-2的高面積容量。這些由商業(yè)碳材料構(gòu)建的Li-S電池在倍率、循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度方面均大幅優(yōu)于現(xiàn)有Li-S電池的報道。該工作所提出的“設(shè)計輕質(zhì)量、高性能的功能化隔膜來提升由商業(yè)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(yīng)用提供了新思路。

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