【引言】

鋰硫電池由金屬鋰做負極，硫單質作正極，理論比容量達到1672 mAh g-1和2600 Wh Kg-1的電池比能量。鋰硫電池的理論能量密度是傳統鋰離子電池的3~5倍。單質硫一直被認為是地球資源豐富，成本效益高，并且環保的材料。由于成本低、能量密度高和循環性能長等優點，鋰硫電池的發現滿足了目前不斷增長的電子設備、電動汽車等對高性能，低成本儲能設備的需求。因此，鋰硫電池的發展吸引了大量研究人員的目光，受到了學術界以及工業界的廣泛關注。然而，在鋰硫電池被發現的30年以來，由于其存在的一些固有問題嚴重阻礙了它的商業化生產及實際應用。如：（1）硫的密度為2.07g/cm3，而Li2S的密度為1.66g/cm3，在充放電過程中體積膨脹/收縮高達~80%；（2）金屬鋰的電沉積容易伴隨著鋰枝晶的形成；（3）可溶性多硫化物由于濃度梯度和電場驅動，導致多硫化物與鋰金屬之間的副反應發生，降低了電池效率。此外，硫具有非常差的導電性且在反應過程中生成的Li2S2和Li2S也是電子絕緣體，從而大大降低了活性材料的有效利用率。已有報道通過對鋰硫電池隔膜改性，能有效抑制“穿梭效應”等。然而，目前隔膜改性材料大多為導電碳質材料（如還原的氧化石墨烯、碳納米管或導電聚合物），主要通過這些碳質材料與多硫化物（LiPSs）之間的物理相互作用限制多硫化物的穿梭。然而，非極性碳質材料和極性LiPSs之間的物理相互作用較弱，在長期的循環過程中，仍難以避免嚴重的容量衰減。

最近，德州大學奧斯汀分校A. Manthiram教授和電子科技大學陳遠富教授研究團隊在商業Celgard隔膜上，原位垂直生長高導電、極性的空心Co9S8納米陣列（Co9S8/Celgard），Co9S8/Celgard作為多功能阻擋層用于鋰硫電池，能有效抑制多硫化物的“穿梭效應”，大幅度改善Li-S電池的電化學性能。

【成果簡介】

Co9S8-Celgard隔膜應用于鋰硫電池中時，以純硫電極為正極材料，在0.1C倍率條件下200次循環后容量高達1190 mAh/g，容量保持率高達85.9%。在1C條件下循環1000圈后依舊可以保持530 mAh/g的容量，每循環衰減率低至0.039%。同時，將該隔膜用于軟包電池后，電池可以放出具有高達1185 mAh/g的容量，并且循環30圈后保持穩定。

圖1. Co9S8-Celgard隔膜的合成工藝示意圖及其表征。

圖2. Co9S8-Celgard隔膜的電化學性能圖。

圖3. Co9S8-Celgard隔膜的軟包電池性能測試。

圖4. Co9S8-Celgard隔膜的性能提升機制。

圖5. Co9S8-Celgard隔膜的對多硫離子穿梭限制效果。

制備的Co9S8-Celgard多功能隔膜，具有如下優點：

1）該Co9S8吸附層具有極高的電導率，可作為上層集流體加速電子傳輸，從而在循環過程中可以持續提升活性物質的利用率。

2）該高度規則排列的極性Co9S8空心陣列，可通過化學吸附和物理吸附將多硫化物牢固限制在正極區域，從而有效抑制了穿梭效應。

3）由于該Co9S8陣列原位生長在隔膜上，保證了在超長循環后非常好的機械穩定性和結構的完整性。

4）該Co9S8陣列厚度非常薄，載量僅為0.16mg/cm2，大大的避免了由吸附層導致的電池質量的大幅增加。

由于Co9S8-Celgard具有上述優勢，將其作為多功能隔膜用于鋰硫電池，電池表現出優異的循環穩定性和倍率性能。

【材料制備】

首先，采用簡易的溶液法（硝酸鈷和2甲基咪唑溶液）將鈷基有機金屬框架陣列原位生長在Celgard隔膜（MOF-Celgard）；然后，通過溶劑熱法將隔膜上的MOF陣列轉變為垂直的硫化鈷陣列（Co9S8）。XRD結果證明了利用溶劑熱法可以將MOF成功轉變為Co9S8。

Jiarui He, Yuanfu Chen, and Arumugam Manthirama, Vertical Co9S8 hollownanowall arrays grown on Celgard separator as a multifunctional polysulfidebarrier for high-performance Li-S batteries. Energ. Environ. Sci., 2018, DOI:10.1039/C8EE00893K

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