張強(qiáng)

(清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京100084)

全石墨烯正極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：更可靠的高性能鋰硫電池

張強(qiáng)

(清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京100084)

近年來(lái)移動(dòng)電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源的飛速發(fā)展對(duì)二次電池的能量密度提出了更高的要求，傳統(tǒng)鋰離子電池因受理論能量密度限制，已難以滿足需要，因此新型高能量密度二次電池的開(kāi)發(fā)受到高度關(guān)注。以單質(zhì)硫?yàn)檎龢O，金屬鋰為負(fù)極的鋰硫電池具有高達(dá)2600 Wh·kg－1的理論能量密度，同時(shí)由于單質(zhì)硫儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，鋰硫電池被視為最具有發(fā)展前景的下一代高能量二次電池之一，并受到了研究者的廣泛關(guān)注1。然而，單質(zhì)硫的低導(dǎo)電性以及充放電中間產(chǎn)物多硫化物的溶解與穿梭等問(wèn)題使鋰硫電池的大規(guī)模商業(yè)化仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。

多孔碳材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、豐富的孔結(jié)構(gòu)和極高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此發(fā)展硫/多孔碳復(fù)合電極材料被認(rèn)為是提高鋰硫電池性能的有效途徑之一2。然而，多數(shù)研究工作中報(bào)導(dǎo)的硫/碳復(fù)合材料中硫的負(fù)載量較低(小于70%(w))，使得電極中硫的單位面密度較低(小于2 mg·cm－2)，進(jìn)而導(dǎo)致硫/碳復(fù)合電極較低的面容量，甚至低于商用鋰離子電池4.0 mAh·cm－2的水平，嚴(yán)重制約了鋰硫電池的實(shí)用化進(jìn)程3－5。

最近，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所先進(jìn)炭材料研究部李峰研究員課題組利用石墨烯材料衍生物眾多、性能多樣化的特點(diǎn)，提出了一種全石墨烯鋰硫電池正極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在該結(jié)構(gòu)中，高孔容石墨烯作為硫的擔(dān)載體，其孔容量高達(dá)3.51 cm3·g－1，可實(shí)現(xiàn)80%(w)的負(fù)載量；高導(dǎo)電石墨烯作為集流體，相比傳統(tǒng)的金屬集流體，其輕質(zhì)的特點(diǎn)有助于提升電池整體的能量密度；部分氧化石墨烯作為吸附層，其含氧官能團(tuán)與多硫化物的化學(xué)鍵合作用可有效防止多硫化物向負(fù)極的遷移。該全石墨烯正極具有高達(dá)5 mg·cm－2的面密度，其首次放電比容量高達(dá)1500 mAh·g－1，對(duì)應(yīng)于7.5 mAh·cm－2的面容量。在經(jīng)過(guò)400次循環(huán)后，仍能保持841 mAh·g－1的比容量，表現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。通過(guò)三種石墨烯的協(xié)同作用，該全石墨烯正極實(shí)現(xiàn)了更可靠的高性能鋰硫電池，表現(xiàn)出良好的實(shí)用化前景。該工作近期發(fā)表于ACS Nano6雜志上。

(1) Yu,M.;Li,R.;Wu,M.;Shi,G.Energy Storage Mater.2015,1, 51.doi:10.1016/j.ensm.2015.08.004

(2) Liang,J.;Sun,Z.H.;Li,F.;Cheng,H.M.Energy Storage Mater. 2016,2,76.doi:10.1016/j.ensm.2015.09.007

(3) Fang,R.P.;Zhao,S.Y.;Hou,P.X.;Cheng,M.;Wang,S.G.; Cheng,H.M.;Liu,C.;Li,F.Adv.Mater.2016,28,3374.doi: 10.1002/adma.201506014

(4) Peng,H.J.;Xu,W.T.;Zhu,L.;Wang,D.W.;Huang,J.Q.; Cheng,X.B.;Yuan,Z.;Wei,F.;Zhang,Q.Adv.Funct.Mater. 2016,26,6351.doi:10.1002/adfm.201602071

(5) Yuan,Z.;Peng,H.J.;Huang,J.Q.;Liu,X.Y.;Wang,D.W.; Cheng,X.B.;Zhang,Q.Adv.Funct.Mater.2014,24,6105.doi: 10.1002/adfm.201401501

(6) Fang,R.;Zhao,S.;Pei,S.;Qian,X.;Hou,P.X.;Cheng,H.M.; Liu,C.;Li,F.ACS Nano 2016,doi:10.1021/acsnano.6b04019

10.3866/PKU.WHXB201611031