一氧化鈦/碳復(fù)合空心球在鋰硫電池中的應(yīng)用

郭玉國

(中國科學(xué)院化學(xué)研究所，分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點實驗室，北京100190)

一氧化鈦/碳復(fù)合空心球在鋰硫電池中的應(yīng)用

郭玉國

(中國科學(xué)院化學(xué)研究所，分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點實驗室，北京100190)

隨著科技的發(fā)展和進步，一些新興的應(yīng)用領(lǐng)域，如電動汽車、消費電子、大規(guī)模儲能電站等，對二次電池的性能也提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的鋰離子二次電池偏低的能量密度成為制約其在這些領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸。開發(fā)基于新化學(xué)原理儲能的高能量密度電池體系正成為全球范圍內(nèi)的研究熱點。單質(zhì)硫的理論比容量為1675 mAh·g－1，與金屬鋰構(gòu)建成鋰硫電池時，其理論能量密度高達2600 Wh·kg－1；同時，硫還是一種來源豐富、價格低廉、對環(huán)境友好的材料。因此，鋰硫電池被認為是最具發(fā)展前景的電池體系之一。盡管如此，受限于單質(zhì)硫的物化特性及鋰硫電池電化學(xué)反應(yīng)過程中固有的反應(yīng)特性，鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用仍然面臨諸多技術(shù)難點，主要包括：(1)單質(zhì)硫的導(dǎo)電性差；(2)反應(yīng)中間產(chǎn)物多硫化鋰在有機電解液中極易溶解流失，導(dǎo)致電池循環(huán)穩(wěn)定性變差和庫倫效率降低；(3)硫在鋰化過程中有較大的體積膨脹。

在近期發(fā)表的Nature Communications論文中，新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文課題組及北京計算科學(xué)研究中心劉利民課題組報道了一種由一氧化鈦和碳組成的空心納米球(TiO@C)，并將其作為硫的載體應(yīng)用于鋰硫電池1。一氧化鈦的電導(dǎo)率遠高于二氧化鈦及Magnéli相的亞氧化鈦(TinO2n－1,n= 4－10)，同時其化學(xué)穩(wěn)定性又與亞氧化鈦(Ti4O7)類似。理論計算的結(jié)果表明，相對于二氧化鈦，一氧化鈦與多硫化鋰之間的吸附結(jié)合能更強。但是，考慮到極性材料對多硫化鋰的化學(xué)吸附能力有一定的限度，當硫含量較高時，電極中的多硫化鋰并不能全部都被有效吸附在極性基體材料的表面2。為此，研究人員設(shè)計了空心納米結(jié)構(gòu)作為硫的載體。當硫被限制在由一氧化鈦和碳共同構(gòu)成的空心球內(nèi)部后，鋰硫電池在循環(huán)過程中形成的多硫離子能夠被有效地束縛在該極性結(jié)構(gòu)內(nèi)部而不易溶出。這種空心結(jié)構(gòu)的設(shè)計最大化地利用了極性材料對多硫離子吸附的作用，相對于常規(guī)的納米顆粒，基于該空心納米球構(gòu)筑的正極材料表現(xiàn)出了更好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在硫的面負載量達到4 mg·cm－2時，鋰硫電池仍表現(xiàn)出良好的電化學(xué)活性和循環(huán)穩(wěn)定性。

樓雄文等人的工作克服了硫正極材料的主要問題，同時，揭示了空心納米結(jié)構(gòu)在鋰硫電池中的應(yīng)用優(yōu)勢，為鋰硫電池正極材料的設(shè)計和合成提供了新思路。

(1) Li,Z.;Zhang,J.;Guan,B.;Wang,D.;Liu,L.M.;Lou,X.W. Nat.Commun.2016,7,13065.doi:10.1038/ncomms13065

(2) Li,Z.;Wu,H.B.;Lou,X.W.Energy Environ.Sci.2016,9,3061. doi:10.1039/C6EE02364A

10.3866/PKU.WHXB201611011