在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院等支持下，中科院化學所分子納米結構與納米技術院重點實驗室的研究人員，在解決高比能鋰-硫電池中多硫離子的溶出問題，提高鋰-硫電池循環壽命方面取得重要突破。研究結果發表在近期J. Am. Chem. Soc.(2012, 134, 18510?18513)上，并被美國化學會(ACS)的Chemical & Engineering News以《可持續的高能量電池》(High-Energy Battery Built To Last)為題進行了評述和報道。
鋰-硫電池是指采用單質硫(或含硫化合物)為正極，金屬鋰為負極，通過硫與鋰之間的化學反應實現化學能和電能間相互轉換的一類金屬鋰二次電池。無論作為正極材料的單質硫還是作為負極材料的金屬鋰，均具有很高的理論比容量，從而使整個電池的理論比能量高達2600Wh/kg，是現有鋰離子電池的五倍以上。然而，受限于硫及其放電產物硫化鋰(Li2S)的絕緣特性，以及充放電過程中形成的一系列多硫化鋰中間產物易溶于電解液的缺點，鋰-硫電池的硫正極活性差、利用率低、循環性能也很差，嚴重影響電池的性能發揮和實際應用，是亟待解決的難題。
中科院化學所分子納米結構與納米技術院重點實驗室的科研人員認識到單質硫主要以環狀S8形式存在，而這些易溶性多硫離子(Li2S8、Li2S6、Li2S4等)主要產生于S8與S42-之間的轉變過程中。他們聯合博世亞太地區科技研究中心的科研人員一起從硫分子結構設計出發，提出通過構筑鏈狀小硫分子(S2-4)從根本上解決這一多硫離子溶出問題的思想，并通過納米孔道的空間限域效應實現了非常規、亞穩態小硫分子的篩選和穩定化(圖1)。
他們首先合成出具有特定孔尺寸(0.5nm)的微孔碳基底，然后再負載硫。由于納米孔道空間的限制，在引入硫的過程中即可實現從S8分子到小硫分子的轉化，制備出非常規小硫分子/碳復合正極材料。他們與中科院物理所科研人員合作，通過球差校正透射電子顯微鏡等先進表征手段并結合理論計算，證明硫在這種納米孔道內的存在形式不是通常的環狀S8分子，而是鏈狀的小硫分子S2-4。
研究發現，這種鏈狀小硫分子S2-4在嵌/脫鋰過程中表現出與環狀S8分子截然不同的電化學行為，在充放電過程中不會再形成溶解性多硫離子(Li2S8、Li2S6、Li2S4)，從而從根本上徹底解決了傳統硫正極材料由于多硫離子溶出導致循環性能差的難題。同時，由于硫顆粒的尺寸已降至分子級，使硫的電化學活性顯著提高。這種基于納米孔道限域效應的非常規硫分子/碳復合正極材料在鋰-硫電池中表現出很高的比容量、優異的循環穩定性及高倍率性能。以硫質量計算的首圈放電容量達1670mA h/g，接近硫的理論容量(1675mA h/g)，200圈循環后仍有1150mA h/g。空間限域的鏈狀小硫分子及其特殊電化學性質的發現，對于根本解決硫正極的多硫離子溶出問題，開發高性能鋰-硫電池具有重要意義。相關結果已申請三項PCT國際專利。
圖1 納米孔道受限的小硫分子/用于高性能鋰-硫電池正極材料的示意圖。
圖2 小硫分子/碳復合正極材料的(a)充放電曲線，(b)0.1C倍率下的循環性能。
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