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石化学院在高稳定锂硫电池正极结构方面取得新进展


近日,石油与化学工程学院张凤祥教授课题组在锂硫电池正极研究方面取得新进展,提出了固态电解质界面膜包覆的正极结构,并获得了很好的电池循环稳定性。相关研究成果在材料领域国际顶级期刊Advanced Materials上正式发表(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201700273/full)。

低循环稳定性严重限制了高能量密度的锂硫电池的应用,而易溶于电解液的多硫化物形成的“穿梭效应”是造成这一问题的主要原因。针对这一问题,课题组在前期纳米空心碳球(J. Alloys. Compds.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.04.258)以及氧化物纳米阵列(J. Mater. Chem. A.http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ta/c7ta00475c)固硫策略的基础上,设计了预生长固态电解质界面膜(SEI)包覆的碳(多孔碳球、三维碳纳米管阵列等)/硫复合正极,显著提高了硫电极的循环稳定性。在锂离子电池中,SEI膜经常被用来隔绝负极材料(碳,锂等)与电解液的接触,而且SEI膜仅仅需要在1V (vs. Li+/Li)以下几次充放电即可形成。受此启发,研究组率先提出采用SEI膜作为一种智能的阻隔层将硫与电解液密封于多孔碳球内部。该结构的正极充放电时,多硫化物可以溶解但不能穿梭,而且SEI膜非常智能地既阻碍多硫化物的溶出,又允许锂离子的传导,使得电极反应能够充分进行,展现优异的稳定性。进一步,他们将这种方法推广至其它形貌的碳基硫正极,构筑了SEI包覆的三维碳纳米管CNT/S复合阵列电极,深入研究了SEI包覆对电极库伦效率和倍率性能的影响,验证和揭示了SEI膜抑制“穿梭效应”的微观过程及机理。研究表明:采用SEI包覆的正极可在0.5C倍率下实现75 %的容量保持率(400循环);2C充放电运行600循环后容量保持率为71 %,均显著高于无SEI包覆的电极。

SEI包覆控制穿梭效应是在传统固硫策略基础上取得的新进展,是高性能锂硫电池正极结构设计的全新思路,对于促进锂硫电池循环稳定性的提升具有重要理论意义和促进作用。该工作是张凤祥课题组与武汉理工大学刘金平教授(共同通讯作者)合作研究的成果。论文第一作者为盘锦校区2015级博士生郭峻岭;2014级硕士生杜新宇和张小龙参与了研究。工作得到了精细化工国家重点实验室(盘锦)和国家自然科学基金的支持。

(来源:石油与化学工程学院  作者:郭峻岭  编辑:吕波  更新:2017-05-10  点击:次)
 
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