隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，人類對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的需求日益增大，研究人員都在尋找具有更高比能量的下一代二次電池。鋰硫電池以硫?yàn)檎龢O活性物質(zhì)，基于硫與鋰之間的可逆電化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存和釋放，其理論比能量可達(dá)2600Wh/kg，是目前鋰離子電池的3-5倍，有望被應(yīng)用于動(dòng)力電池、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。

　　鋰硫電池領(lǐng)域重要科學(xué)與技術(shù)難題之一是單質(zhì)硫及其放電產(chǎn)物L(fēng)i2S2，Li2S是典型的電子和離子絕緣體。因此正極內(nèi)部的電荷傳遞受阻，導(dǎo)致硫利用率低下，無(wú)法發(fā)揮其高理論比容量的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)傳荷效率低下也影響了電池的倍率性能等動(dòng)力學(xué)性能的提升。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員陳立桅課題組在理解鋰硫正極電荷傳遞過(guò)程的特性，促進(jìn)正極內(nèi)部的電荷高效傳遞的研究中取得了新進(jìn)展。

　　研究人員從基礎(chǔ)研究入手，聚焦于硫材料的納米尺寸效應(yīng)，制備了粒徑尺寸小于50nm的硫顆粒，并利用導(dǎo)電聚合物PEDOT包覆硫顆粒以期實(shí)現(xiàn)高比容量且高循環(huán)穩(wěn)定性的鋰硫電池（圖1）。研究表明，通過(guò)硫材料的納米化可以顯著提升正極內(nèi)部電荷傳遞效率，實(shí)現(xiàn)較高的放電比容量。此工作發(fā)表于Sci.Rep.,2013,3,1910。在此工作的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步精確控制硫粒子尺寸，利用硫-胺法（Chem.Commun.,2014,50,1202）合成制備了不同粒徑的硫納米顆粒。通過(guò)研究硫材料在不同尺度下的傳荷特性，理解其與放電比容量、能量密度、動(dòng)力學(xué)性能等電池性能的關(guān)系（圖2）。研究表明隨顆粒尺寸的減小，電荷傳輸距離隨之減小，硫材料的利用率及動(dòng)力學(xué)特性隨之得到顯著提升。研究人員探索了利用尺寸調(diào)控使硫正極行為趨近或?qū)崿F(xiàn)硫材料的理論比容量的方法。研究表明當(dāng)硫顆粒尺寸減小至約5nm范圍并在較低電流密度下充放電時(shí)，硫正極可以克服傳荷瓶頸，實(shí)現(xiàn)高達(dá)1672mAh/g的理論放電比容量值。此工作對(duì)通過(guò)合理的電極設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)鋰硫電池正極高效的電荷傳遞具有指導(dǎo)意義。近日發(fā)表于NanoLett.2015,15,798。

　　在進(jìn)行基礎(chǔ)研究的同時(shí)，課題組研究人員還試制了軟包鋰硫電池，努力推動(dòng)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和工程化研發(fā)（圖3）。在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“變革性納米制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)聚焦”項(xiàng)目“長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池”的支持下，軟包鋰硫電池的性能指標(biāo)分別能達(dá)到能量密度高于400Wh/Kg，循環(huán)次數(shù)高于50次。

　　該系列工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)以及蘇州納米所的經(jīng)費(fèi)資助與研發(fā)條件支持。

　　圖1.PEDOT包覆S納米顆粒及其電化學(xué)性能（Sci.Rep.,2013,3,1910）

　　圖2.粒徑為5nm的硫顆粒的電化學(xué)性能（NanoLett.2015,15,798）

　　圖3.鋰硫軟包電池原型

　　（責(zé)任編輯：葉瑞優(yōu)）附件：

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