三维碳基集流体提升锂硫电池循环稳定性

来源:互联网

  二次电池是当今社会可持续发展、能源可持续利用的重要元件。现有的锂离子电池由于理论限制,其发展逐渐出现桎梏。锂硫电池采用单质硫为正极、金属锂为负极,具有2600Wh/kg的理论能量密度,因而有望成为锂离子电池的替代品。为达到实用化能量密度的要求,正极硫的面积比容量要求达到至少4mg/cm2,因此要求硫负载量达到3.0-3.5mg/cm2及以上。随着硫负载量提高,锂硫电池的循环稳定性和寿命均受到严重制约。传统的材料或者电解液改性思路不能完全阻止容量的快速衰减。因此,电池其他组件如隔膜和集流体等需得到进一步提高。

  传统的锂离子电池正极集流体为铝箔。其也广泛应用于锂硫电池的研究中。不同于锂离子电池正极,锂硫电池正极材料硫具有极低的电子/离子导率,因而在高负载量条件下,对平面集流体的电子传导和集流能力提出了极高的要求。同时为兼容硫正极,锂硫电池用电解液含有腐蚀性较强的锂盐。因此铝箔集流体在严苛电化学环境下的稳定性值得关注。高化学稳定性和优良导电骨架将是锂硫电池正极集流体的关键。否则即使电极材料和电解液得到充分优化,低效集流体也将对锂硫电池的循环稳定性造成不利影响。

  近期,清华大学张强研究团队系统性研究了锂硫电池的化学稳定性和孔隙率对锂硫电池循环寿命的影响并相应提出三维碳基集流体的解决思路。他们发现传统的二维铝集流体在长时间循环后被电解液充分腐蚀,导致电池内阻急剧上升,使电池容量持续衰减。将铝箔替换为电化学稳定的二维石墨烯集流体,电池稳定性有所提升。然而由于二维集流体在硫正极三维空间缺乏足够孔结构,活性物质硫仍然在中间产物多硫化物“飞梭效应”的影响下向隔膜侧迁移,覆盖正极表面,阻碍活性物质充分、持续地反应。通过理解集流体影响硫正极的衰减机理,该团队利用碳纳米管构筑三维、多孔、导电、化学稳定的集流体,将各种类型的硫/碳复合正极涂布其上,均获得了显著的稳定性提升。应用于硫负载量3.7mg/cm2的复合正极,循环950周后仍具有71.8%的容量保持率。其最高的面容量可达5.4 mAh/cm2。

  该工作强调了三维碳基集流体在高负载量工况下,对锂硫电池循环稳定性的关键作用。锂硫电池整体性能的提升不仅依赖于电极材料的发展,也要求其他电池组件如电解液、隔膜、粘结剂和集流体等的革新。

  本工作以封面文章的形式发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201602071)上,共同第一作者为清华大学博士生彭翃杰和本科生许文韬。

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