科研人員製備出新型納米複合材料用於鋰硫電池隔膜改性

鋰硫電池，以單質硫作為正極，金屬鋰為負極，理論比能量可達2600Wh kg^-1，是傳統鋰離子電池的3~5倍，且由於單質硫在地球中儲量豐富、價格低廉，因此被認為是最具發展潛力的下一代高比能量二次電池體系之一。然而，由於鋰硫電池在充放電過程中產生的聚硫化物易溶於電解液，並通過隔膜到達金屬鋰負極，進而產生嚴重的“穿梭效應”，引起活性物質損失、硫化物沉積不均，導致電池循環性能變差。

基於以上問題，中國科學院青島生物能源與過程研究所先進儲能材料與技術研究組研究人員從鋰硫電池隔膜改性入手，在碳納米管（CNT）表面引入過渡金屬化合物CoNi_1/3Fe₂O₄（CNFO），成功製備出CNFO@CNT納米複合材料，並通過真空抽濾方式將其均勻塗布到商用隔膜表面。受益於CNFO的強極性吸附作用和CNT的導電作用，該改性隔膜可以有效吸附正極溶出的聚硫化合物並加以循環再利用。CNFO@CNT納米複合材料製備示意圖如下圖（a）所示。

將CNFO@CNT改性隔膜應用於鋰硫電池中，實驗結果證明在2.0 C下常溫循環250圈後容量保持率高達84%。不僅如此，研究人員將改性後的鋰硫電池置於高溫60℃中測試其循環穩定性，發現在CNFO較強的化學吸附作用下，0.5 C經過100圈循環後，容量保持率依然能夠達到78%，並保持98%以上的庫倫效率。該改性材料相比CNT改性隔膜，無論是常溫還是60℃高溫，對鋰硫電池的倍率及循環穩定性都有較大的提升。

相關成果已發表在ACS Applied Materials & Interfaces（Tao Liu, et al,Jianfei Wu*. doi：10.1021/acsami.9b02136）上。此外，以固體電解質取代傳統電解液的全固態鋰硫電池可以從根本上解決聚硫化物的溶解難題，研究組在目前開發的鋰硫電池和高電導率硫化物固體電解質的基礎上，下一步將繼續開發高性能鋰硫全固態電池，相關成果已在J. Mater. Chem.A（2018, 6, 23486–23494），Electrochim. Acta（2019, 295, 684-692）等期刊發表，研究成果得到中科院率先行動百人計劃、國家自然科學基金、青島能源所-大連化物所融合基金項目的支持。

（a）CNFO@CNT納米複合材料製備示意圖；（b）CNFO@CNT納米複合材料紫外吸收光譜圖；（c）鋰硫電池高溫循環性能

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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