含硫正極材料原位包裹應(yīng)用在鋰電池制備技術(shù)解析

【背景介紹】

由于低成本硫正極具有高的理論比容量（1672mAhg-1），因此可充電鋰-硫（Li-S）電池被普遍認為會成為下一代高密度儲能技術(shù)有力的競爭者之一。Li-S電池是基于單質(zhì)硫（S8）與其多硫化物衍生物Li2Sn（1≤n≤8）之間的一系列氧化還原反應(yīng)進行充放電的二次電池。雖然Li-S電池具有能量密度大，性價比高等優(yōu)點，但因其內(nèi)部的多硫化物穿梭而造成短循環(huán)壽命將限制其將來的實際應(yīng)用。

【成果簡介】

近日，中科院蘇州納米所陳立桅研究員和華僑大學陳宏偉副教授（共同通訊）等人展示了一種不同于常規(guī)的硫正極材料包裹的新策略。常規(guī)的包覆策略是在硫正極材料顆粒外制備一個包覆層，然后將此材料制備成正極并與電解液等搭配組裝成電池。常規(guī)包覆策略存在一個難以克服的矛盾如果材料顆粒在組裝電池之前已覆有完美的包覆層，則電解液將難以擴散進材料內(nèi)部，從而導(dǎo)致內(nèi)部的硫無法參與充放電過程（圖1b）；而如果材料未被完美包覆，則充放電過程中的中間產(chǎn)物多硫化物仍將從正極材料中擴散出來，造成穿梭效應(yīng)（圖1c）。在此新工作中，研究人員預(yù)先在碳/硫復(fù)合顆粒上生長一層不完美的含孔的預(yù)包覆層（在材料制備過程中完成），后將由此材料制備而成的正極與含有特殊添加劑的電解液一起組裝成電池。在電解液浸潤碳/硫顆粒的同時，添加劑將與預(yù)包覆層發(fā)生反應(yīng)，從而在顆粒外部原位形成致密的包覆層（圖1d）。

這種原位包覆策略避免了常規(guī)手段的弊端，既實現(xiàn)了電解液與材料的浸潤，同時又限制了多硫化物的擴散。研究結(jié)果表明，采用此新包覆策略的Li-S電池的庫侖效率和循環(huán)壽命得到顯著提升，電池容量衰減率小于0.03％/每個循環(huán)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 鋰硫正極結(jié)構(gòu)獨特的原位包裹策略示意圖

a）無包裹的碳/硫材料

b）完美包裹的碳/硫材料（在電池組裝之前）

c）包裹層有缺陷的碳/硫材料（在電池組裝之前）

d）預(yù)先包覆碳/硫材料，并將其與含有特殊添加劑的電解液組裝成電池

圖2 材料表征

a)原位包裹過程示意圖

b-d）分別為 CMK-3 / S，比例尺20nm，cCMK-3/S@PANS，比例尺50nm和 CMK-3/S@PANS@TPS顆粒，比例尺10nm的TEM圖像

e-g）分別為 CMK-3/S，CMK-3/S@PANS和CMK-3/S@PANS@TPS樣品的S2pXPS光譜

h-j）分別為CMK-3/S，CMK-3/S@PANS和CMK-3/S@PANS@TPS樣品的P2pXPS光譜

k） CMK-3/S@PANS@TPS粒子的TEM圖像和EDX元素分布圖

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