北京理工大學(xué)和清華大學(xué)在電極設(shè)計(jì)中采用高能密度材料提高鋰硫電池的性能

目前，鋰離子電池還不能滿足高功率電子設(shè)備、電動汽車和智能電網(wǎng)對能源的需求。為了開發(fā)更高容量的電池，研究人員將目光投向了鋰硫電池，因?yàn)榱虻睦碚撊萘亢湍芰棵芏榷己芨?。但鋰硫電池在?shí)際應(yīng)用中還存在著一些問題，如硫本身的電導(dǎo)率較低以及多硫化物從正極逸出會引起容量迅速衰減等。最大的問題是在循環(huán)過程中產(chǎn)生的穿梭效應(yīng)，這種效應(yīng)導(dǎo)致多硫化物從正極擴(kuò)散，造成容量損失，它還消耗大量新鮮的鋰和電解質(zhì)，降低電池的性能。

為了解決鋰硫電池的穿梭問題，提高鋰硫電池的性能，北京理工大學(xué)和清華大學(xué)的研究人員使用一種新型材料制作了一種夾心結(jié)構(gòu)的電極，這種材料可以捕獲多硫化物并提高反應(yīng)動力。相關(guān)技術(shù)論文已在AIP出版社的《APL Materials》雜志上發(fā)表。

ZIF-67是一種由金屬離子或金屬團(tuán)簇和有機(jī)配體構(gòu)成的金屬有機(jī)骨架(MOF)。它在氣體儲存和分離、催化和能量儲存等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。MOF衍生材料由于其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)、多孔表面和高電導(dǎo)率，在儲能方面也很有吸引力。將硫固定在兩層PZ67(源自ZIF-67)之間形成的夾心結(jié)構(gòu)的電極PZ67SPZ67，使鋰硫電池的實(shí)際能量密度比鋰離子電池提高了3～5倍。PZ67由極性材料組成，多孔碳在化學(xué)作用中表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，用作物理屏障，提供高電導(dǎo)率以阻止多硫化物的穿梭效應(yīng)并增強(qiáng)電池的循環(huán)性能。

論文作者李思武表示，多孔PZ67不僅能捕集多硫化物并約束之以減少其穿梭效應(yīng)，還能改善電池循環(huán)過程中實(shí)際活性材料的反應(yīng)動力學(xué)性能。這意味著它還可以提高電池的放電電壓，這對提高電池的能量密度有很大貢獻(xiàn)。這種夾心結(jié)構(gòu)的電極可以約束可溶性多硫化物，這對任何需要限制可溶性材料的人來說都是有用的。他的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)他們的工作，放大利用熱壓工藝制造混合電極的工藝。還計(jì)劃通過增加一層保護(hù)層來解決鋰硫電池負(fù)極側(cè)的不穩(wěn)定性問題。

[許建耘摘譯自 ScienceDaily，2019-10-30]