基于金屬有機框架和碳納米管的可折疊鋰-硫電池

莊 林

基于金屬有機框架和碳納米管的可折疊鋰-硫電池

莊 林

(武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072)

隨著能源危機和環(huán)境污染的不斷加劇，以及電子電動設(shè)備的飛速發(fā)展，對低成本高能量的儲能體系的研究和開發(fā)一直受到廣泛關(guān)注。鋰-硫電池具有能量密度高，價格低廉，環(huán)境友好等優(yōu)點，是極具潛力的新一代儲能體系1,2。然而，鋰-硫電池中活性物質(zhì)導電性差，中間產(chǎn)物多硫化物的溶解和穿梭效應，以及充放電過程中較大的體積變化等問題，導致其活性物質(zhì)利用率低，循環(huán)壽命較差，制約著其進一步發(fā)展3,4。因此，如何提高活性物質(zhì)導電性，抑制聚硫化鋰的穿梭效應，并獲得較高能量密度的硫正極是提高鋰-硫電池性能的核心問題，而合理有效的硫正極結(jié)構(gòu)設(shè)計是改善鋰-硫電池性能的關(guān)鍵技術(shù)5,6。

最近浙江大學彭新生教授和林展教授等合作開發(fā)了一種基于金屬有機框架材料(MOFs)和碳納米管的多級孔結(jié)構(gòu)柔性復合薄膜，用于高性能可折疊柔性鋰-硫電池，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nature Communications雜志上7。該設(shè)計利用自限制固態(tài)轉(zhuǎn)換法獲得了碳納米管對MOFs進行穿插并編織成自支撐的多級孔結(jié)構(gòu)的柔性電極，利用MOFs材料的高孔隙率和孔尺寸效應，以及金屬活性中心對聚硫離子的吸附作用，有效束縛活性物質(zhì)于MOFs孔內(nèi)，抑制其溶解損失和穿梭效應；同時由于碳納米管的穿插作用，使得電極具有良好的導電性，以及優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有利于硫高效和持久的電化學反應。所得電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能，較高的硫載量(11.33 mg·cm-2)，以及高達1195 mAh·cm-3的能量密度，并且可在不同折疊程度上獲得穩(wěn)定的能量輸出，為獲得高能量密度和柔性的鋰-硫，乃至鋰離子、鈉離子和鋰空氣電池等提供了新的思路。

(1) Manthiram,A.;Fu,Y.;Chung,S.H.;Zu,C.;Su,Y.S.Chem.Rev. 2014,114,11751.doi:10.1021/cr500062v

(2) Bruce,P.G.;Freunberger,S.A.;Hardwick,L.J.;Tarascon,J.M. Nat.Mater.2012,11,19.doi:10.1038/nmat3191

(3) Wild,M.;O'Neill,L.;Zhang,T.;Purkayastha,R.;Minton,G.; Marinescu,M.;Offer,G.J.Energy Environ.Sci.2015,8,3477. doi:10.1039/c5ee01388g

(4) Hagen,M.;Hanselmann,D.;Ahlbrecht,K.;Ma?a,R.;Gerber,D.; Tübke,J.Adv.Energy Mater.2015,5,1401986.doi:10.1002/ aenm.201401986

(5) Seh,Z.W.;Sun,Y.;Zhang,Q.;Cui,Y.Chem.Soc.Rev.2016,45, 5605.doi:10.1039/c5cs00410a

(6) Ogoke,O.;Wu,G.;Wang,X.;Casimir,A.;Ma,L.;Wu,T.;Lu,J. J.Mater.Chem.A 2017,5,448.doi:10.1039/c6ta07864h

(7) Mao,Y.;Li,G.;Guo,Y.;Li,Z.;Liang,C.;Peng,X.;Lin,Z.Nat. Commun.2017,8,14628.doi:10.1038/ncomms14628

Metal-Organic Framework/Carbon Nanotube-Based Foldable Lithium-Sulfur Battery

ZHUANG Lin
(College of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703093