中國粉體網(wǎng)訊 隨著電動汽車、便攜式電子設(shè)備和家用儲能電源的蓬勃發(fā)展，迫切需要開發(fā)高比能量二次電池體系。鋰硫電池由于具有高達2600 Wh/kg的理論質(zhì)量比能量而成為目前該領(lǐng)域的研究前沿與熱點。
最近，在中國科學院先導(dǎo)專項、科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中國科學院化學研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點實驗室研究員郭玉國課題組科研人員在金屬鋰負極與硫正極相關(guān)基礎(chǔ)研究，及鋰硫軟包電池工程技術(shù)研發(fā)方面取得系列進展（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510；Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13186; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2215; Nat. Commun., 2015, 6: 8058, doi:10.1038/ncomms9058）。
該課題組研究人員長期致力于高效、穩(wěn)定的高比能鋰硫電池材料研究。前期研究工作中，他們針對鋰硫電池中常規(guī)環(huán)狀S8分子正極材料充放電過程中形成易溶性多硫離子，造成硫正極的循環(huán)性能極差的問題，從硫分子結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，提出通過構(gòu)筑鏈狀小硫分子從根本上解決這一多硫離子溶出難題的新思想，并通過納米孔道的空間限域效應(yīng)實現(xiàn)了非常規(guī)、亞穩(wěn)態(tài)小硫分子的篩選和穩(wěn)定化，制備出比容量高、倍率性能優(yōu)良、循環(huán)性能優(yōu)異的硫碳正極材料 (J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510)。近期，他們在空間限域鏈狀硫分子的電化學鋰化/去鋰化反應(yīng)機理研究方面又取得新進展，研究結(jié)果發(fā)表在近期的J. Am. Chem. Soc.（2015, 137, 2215−2218）雜志上。
他們將一維的鏈狀硫分子限制在碳納米管中，成功制得了研究鏈狀硫分子電化學性能的模型體系。通過系統(tǒng)深入的原位和半原位研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管限域的鏈狀硫經(jīng)歷一種新奇的電化學反應(yīng)過程，硫鏈在反應(yīng)中縮短，電化學性能自發(fā)優(yōu)化，而且反應(yīng)接近于固相反應(yīng)，從而有效避免了硫正極中間產(chǎn)物的溶出問題（圖1）。在揭示了其循環(huán)穩(wěn)定的內(nèi)在機制的基礎(chǔ)上，他們提出利用“雙功能核-殼結(jié)構(gòu)介-微孔碳載體”用于高效、穩(wěn)定的高容量硫碳復(fù)合正極材料的理性設(shè)計方案。通過這一方案，既提高了硫的裝載量，又有效限制了多硫化物的溶出，實現(xiàn)了可放大制備的硫正極材料技術(shù)解決方案。
除了硫正極外，金屬鋰負極也是鋰硫電池能否實際應(yīng)用的關(guān)鍵。針對充放電過程中金屬鋰負極的不均勻溶解和沉積（即枝晶）問題，他們提出利用三維納米銅集流體來引導(dǎo)金屬鋰在三維電極內(nèi)部的均勻沉積與溶解的思想，成功實現(xiàn)了負極表面金屬鋰枝晶的控制。相關(guān)結(jié)果近日發(fā)表在Nat. Commun.（2015, 6, 8058）雜志上。
研究表明，當采用具有亞微米骨架、高比表面積的三維銅箔用于金屬鋰的沉積時，鋰負極主要沉積在三維銅箔的孔道內(nèi)（> 98%），電極表面鋰枝晶的生長得到了有效抑制（圖2）。相比于平整銅集流體上的鋰負極，限制在三維納米銅集流體中的金屬鋰負極可連續(xù)工作好幾百小時以上而不短路，鋰的沉積效率大幅提高；電池的壽命、穩(wěn)定性和安全性也得到了顯著提升。這一發(fā)現(xiàn)揭示了鋰負極集流體的作用，對設(shè)計實用的金屬鋰負極具有重要的指導(dǎo)意義。
在上述基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，研究人員還著力于鋰硫電池工程技術(shù)研發(fā)。在中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“變革性納米制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)聚焦”項目“長續(xù)航動力電池”的支持下，在化學所建立了鋰硫軟包電池組裝線，鋰硫軟包電池的各項性能指標均取得了重要進展。目前可批量制備單體容量為0.5-30Ah的不同規(guī)格鋰硫軟包電池，其能量密度可達350-450Wh/kg，循環(huán)次數(shù)大于50次。相關(guān)鋰硫軟包電池已于9月3日至5日在北京召開的第六屆中國國際納米科學技術(shù)會議（ChinaNANO 2015）上展出（圖3）。
圖1 鏈狀硫分子在鋰硫電池中鋰化-去鋰化過程示意圖
圖2 金屬鋰在不同集流體中的沉積
圖3 不同規(guī)格鋰硫軟包電池
最近，在中國科學院先導(dǎo)專項、科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中國科學院化學研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點實驗室研究員郭玉國課題組科研人員在金屬鋰負極與硫正極相關(guān)基礎(chǔ)研究，及鋰硫軟包電池工程技術(shù)研發(fā)方面取得系列進展（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510；Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13186; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2215; Nat. Commun., 2015, 6: 8058, doi:10.1038/ncomms9058）。
該課題組研究人員長期致力于高效、穩(wěn)定的高比能鋰硫電池材料研究。前期研究工作中，他們針對鋰硫電池中常規(guī)環(huán)狀S8分子正極材料充放電過程中形成易溶性多硫離子，造成硫正極的循環(huán)性能極差的問題，從硫分子結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，提出通過構(gòu)筑鏈狀小硫分子從根本上解決這一多硫離子溶出難題的新思想，并通過納米孔道的空間限域效應(yīng)實現(xiàn)了非常規(guī)、亞穩(wěn)態(tài)小硫分子的篩選和穩(wěn)定化，制備出比容量高、倍率性能優(yōu)良、循環(huán)性能優(yōu)異的硫碳正極材料 (J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510)。近期，他們在空間限域鏈狀硫分子的電化學鋰化/去鋰化反應(yīng)機理研究方面又取得新進展，研究結(jié)果發(fā)表在近期的J. Am. Chem. Soc.（2015, 137, 2215−2218）雜志上。
他們將一維的鏈狀硫分子限制在碳納米管中，成功制得了研究鏈狀硫分子電化學性能的模型體系。通過系統(tǒng)深入的原位和半原位研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管限域的鏈狀硫經(jīng)歷一種新奇的電化學反應(yīng)過程，硫鏈在反應(yīng)中縮短，電化學性能自發(fā)優(yōu)化，而且反應(yīng)接近于固相反應(yīng)，從而有效避免了硫正極中間產(chǎn)物的溶出問題（圖1）。在揭示了其循環(huán)穩(wěn)定的內(nèi)在機制的基礎(chǔ)上，他們提出利用“雙功能核-殼結(jié)構(gòu)介-微孔碳載體”用于高效、穩(wěn)定的高容量硫碳復(fù)合正極材料的理性設(shè)計方案。通過這一方案，既提高了硫的裝載量，又有效限制了多硫化物的溶出，實現(xiàn)了可放大制備的硫正極材料技術(shù)解決方案。
除了硫正極外，金屬鋰負極也是鋰硫電池能否實際應(yīng)用的關(guān)鍵。針對充放電過程中金屬鋰負極的不均勻溶解和沉積（即枝晶）問題，他們提出利用三維納米銅集流體來引導(dǎo)金屬鋰在三維電極內(nèi)部的均勻沉積與溶解的思想，成功實現(xiàn)了負極表面金屬鋰枝晶的控制。相關(guān)結(jié)果近日發(fā)表在Nat. Commun.（2015, 6, 8058）雜志上。
研究表明，當采用具有亞微米骨架、高比表面積的三維銅箔用于金屬鋰的沉積時，鋰負極主要沉積在三維銅箔的孔道內(nèi)（> 98%），電極表面鋰枝晶的生長得到了有效抑制（圖2）。相比于平整銅集流體上的鋰負極，限制在三維納米銅集流體中的金屬鋰負極可連續(xù)工作好幾百小時以上而不短路，鋰的沉積效率大幅提高；電池的壽命、穩(wěn)定性和安全性也得到了顯著提升。這一發(fā)現(xiàn)揭示了鋰負極集流體的作用，對設(shè)計實用的金屬鋰負極具有重要的指導(dǎo)意義。
在上述基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，研究人員還著力于鋰硫電池工程技術(shù)研發(fā)。在中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“變革性納米制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)聚焦”項目“長續(xù)航動力電池”的支持下，在化學所建立了鋰硫軟包電池組裝線，鋰硫軟包電池的各項性能指標均取得了重要進展。目前可批量制備單體容量為0.5-30Ah的不同規(guī)格鋰硫軟包電池，其能量密度可達350-450Wh/kg，循環(huán)次數(shù)大于50次。相關(guān)鋰硫軟包電池已于9月3日至5日在北京召開的第六屆中國國際納米科學技術(shù)會議（ChinaNANO 2015）上展出（圖3）。
圖1 鏈狀硫分子在鋰硫電池中鋰化-去鋰化過程示意圖
圖2 金屬鋰在不同集流體中的沉積
圖3 不同規(guī)格鋰硫軟包電池
