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西安交大学者研发新型石墨烯夹层材料 可大幅提升锂硫电池寿命

文章来源: 烯碳資訊       发布时间:2019-03-13

3月13日,記者了解到,西安交大化工學院李明濤課題組設計開發了一種具有二維結構g-C3N4/石墨烯保護層的正極材料,獲得了長循環壽命的锂硫電池。論文《一種二維層狀g-C3N4/石墨烯複合型正極夾層增強锂硫電池循環性能研究》發表在國際著名期刊《可持續能源材料化學》(ChemSusChem)並入選爲封面文章。西安交大屈龍講師爲第一作者,李明濤副教授爲第一通訊作者,美國橡樹嶺國家實驗室戴勝教授爲共同通訊作者。

西安交大学者研发新型石墨烯夹层材料 可大幅提升锂硫电池寿命

21世紀以來,能源與環境問題日益凸顯,發展綠色、高效的新能源存儲技術迫在眉睫。锂硫電池作爲一種高比能二次電池,具有價格低廉、儲備豐富、環境友好等特點,被譽爲锂離子電池之後下一代動力電池體系的發展方向。锂硫電池中多硫化锂的“穿梭效應”是造成電池性能衰退的主要原因,阻礙其進一步實際應用。

西安交大学者研发新型石墨烯夹层材料 可大幅提升锂硫电池寿命

西安交大学者研发新型石墨烯夹层材料 可大幅提升锂硫电池寿命

据了解,自1991年索尼公司推出第一代商用锂离子电池,以licoo2为阴极,石墨为阳极,这些循环寿命长的可充电电池已被广泛用于各种便携式电子产品中,并经过20多年的发展。1如今,采用寿命的锂离子电池已被广泛采用。mn]o2或linio0.8co0.15 al.05 o2作为阴极和石墨作为阳极,可以为小型和中型电气设备提供足够的可靠电力,如气垫板、滑板车、混合动力车和电动车。将传统锂离子电池用于大规模能源储存和使用的主要挑战是能量密度低和目前使用的电极材料价格高。3硫是一种丰富的资源,具有许多优点,例如容易获得,高可用性,而且成本低硫阴极的理论比容量高达1675 mah g?1,其重量能量密度约为2600 wh kg?1.4,超出了传统锂离子电池的储能限制,锂-硫(李-s)电池被认为是用于大型储能技术的下一代充电电池。因此,他们是未来智能电网能源储存的有希望的候选者。


然而,李的电池受到硫固有的电子绝缘特性和硫阴极在放电周期中产生的可溶性锂多硫化物(li2sx,2<X≤8)的"穿梭效应"的限制。这种穿梭机效应被认为是导致李电池高自放电、低速率性能和剧烈容量衰减的主要原因,防止它们在诸如大型储能装置等实际应用中的广泛使用。5由纳扎尔集团的开创性工作引发,6密集的调查集中在以微孔、介孔、而大多孔的碳质材料一方面要改善阴极的电子导电性7.a–7G,碳纳米纤维、纳米管、纳米圈、纳米泡沫等碳质材料可以建立3d电子传导网络来加速电荷传递。另一方面,具有微孔、介孔和大孔孔室的碳质基质,可以防止硫颗粒生长和聚集,导致李+扩散的增强。不幸的是,虽然碳质矩阵增加了硫阴极的导电性,但是它的物理空间限制并没有产生抑制穿梭形效应的理想效果,由于碳质矩阵的非极性表面与溶解的锂多硫化物之间的相互作用相对较弱,8掺杂了含有n,o,f的官能团,并且碳质物质表面的s杂原子导致基质与多硫化物锂之间的静电力增强,9 a,9B,而在功能改变的表面上极群的小比例对穿梭形效应的影响相对较弱。


克服这个障碍,在阴极和分离器之间使用有机或无机夹层,以捕获溶解的多硫化物物种,从而抑制穿梭性效应。10 a,10B已作出许多努力,应用各种结构和成分的夹层----包括导电聚合物,11金属----有机框架(mofs)、12过渡金属硫化物、13 a、13 B氧化物、14和氮化物、15 a、15 B和碳质材料16----以提高李----的电池的电化学性能。导电聚合物型夹层,如聚吡咯(py)、17聚苯胺(pani)、18和聚(3,4乙二氧噻芬)(pedot)、19不仅可以生成n?s、o?s、s?s,而氢键与多硫化物锂同时也能紧紧粘在聚合物分离器表面。然而,由于需要精确控制的聚合和未反应的单体分离过程,这些新型导电聚合物不适合大规模生产。mof-type接口由于导电性差,会影响速率性能,虽然mofs表现出的结合能高达约6ev至li2sx(2<X≤8),20是由P-D杂化轨道引起的活性金属中心和多硫化物锂之间的强相互作用。过渡金属硫化物型夹层在放电周期内结构稳定性差,因为它们容易产生氧化物和单质硫。21过渡金属氧化物不单独用作夹层,但总是与碳纳米纤维、纳米管、或是类似结构的2.22a–22c在碳质网络中的接头上,氧化物颗粒经常凝聚而变得过大(微米尺度),从而获得较高的电化学活性。碳纳米纤维、23纳米纤维、24纳米纤维和纳米泡沫25由于其成本低、环境友好和易于制备,通常被用作夹层。然而,由纳米纤维编织的网络显示出大量微尺寸的孔隙,这使得李+和li2sx都能通过并扩散到阳极。对于非掺杂碳质层,涉及少量极官能团的问题仍然存在,如前面提到的杂原子掺杂/c阴极的情况。最近,有报道称,石墨烯片作为层间材料,可以为li2sx制造物理屏障,这是由于近包装纳米片为提高硫阴极的速率性能而构建的层流通道结构。如果势垒层能与可溶性多硫醚进行化学结合作用,以抑制梭形效应,则李的电池有潜力实现优异的速率性能和超长循环寿命。


該工作創造性地設計了一種二維插層結構的g-C3N4/石墨烯夾層,如同在電池正負極之間構建了多層“防鲨網”,不僅能通過物理和化學雙重作用阻擋多硫化物在正負極之間穿梭,還能加快Li+的擴散,從而大大提升電池的循環壽命。該論文對提升锂硫電池電化學性能及進一步實現産業化具有理論指導意義。


李明濤副教授課題組長期從事新一代二次電池正極材料及锂離子電池固態電解質等材料的開發與應用,近期在著名國際期刊上發表SCI論文多篇。

西安交大学者研发新型石墨烯夹层材料 可大幅提升锂硫电池寿命

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