張強

(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：更可靠的高性能鋰硫電池

張強

(清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京100084)

近年來移動電子設(shè)備、電動汽車和可再生能源的飛速發(fā)展對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發(fā)受到高度關(guān)注。以單質(zhì)硫為正極，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，同時由于單質(zhì)硫儲量豐富、價格低廉等特點，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用化進程3－5。

最近，中國科學(xué)院金屬研究所先進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，提出了一種全石墨烯鋰硫電池正極結(jié)構(gòu)設(shè)計。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，對應(yīng)于7.5 mAh·cm－2的面容量。在經(jīng)過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。通過三種石墨烯的協(xié)同作用，該全石墨烯正極實現(xiàn)了更可靠的高性能鋰硫電池，表現(xiàn)出良好的實用化前景。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