【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊與有機(jī)-無機(jī)雜化材料研究組研究員楊啟華團(tuán)隊合作，發(fā)展出一種單原子鋅修飾的中空碳球納米反應(yīng)器。該反應(yīng)器可同時用作鋰硫電池正極、負(fù)極的基體，提高對多硫化物的催化活性并抑制鋰負(fù)極枝晶的生長，應(yīng)用該反應(yīng)器的高比能鋰硫全電池具有高載量、高倍率、長循環(huán)的性質(zhì)。
 

　　鋰硫電池是鋰電池的一種，截止2013年尚處于科研階段。鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環(huán)境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達(dá)到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰電池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一種對環(huán)境友好的元素，對環(huán)境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰電池。
 

　　鋰硫電池具有較高理論能量密度(2600Wh/kg)和比容量(1675mAh/g)，被認(rèn)為是具有潛力的下一代高能量密度的電化學(xué)儲能技術(shù)。但正極多硫化物的穿梭效應(yīng)、轉(zhuǎn)化動力學(xué)緩慢、負(fù)極的鋰枝晶生長等導(dǎo)致鋰硫電池的容量較低、安全性能不高、循環(huán)穩(wěn)定性差，這限制了其商業(yè)化發(fā)展。因此，設(shè)計一種輕質(zhì)量、高導(dǎo)電、高催化活性、優(yōu)異親鋰位點、高機(jī)械強(qiáng)度的載體材料，同時能抑制多硫化物穿梭和金屬鋰枝晶的鋰硫全電池，是目前突破鋰硫電池應(yīng)用瓶頸的一種有效方法。
 

　　鋰硫電池的充放電原理：典型的鋰硫電池一般采用單質(zhì)硫作為正極，金屬鋰片作為負(fù)極，它的反應(yīng)機(jī)理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機(jī)理，而是電化學(xué)機(jī)理。
 

　　鋰硫電池以硫為正極反應(yīng)物質(zhì)，以鋰為負(fù)極。放電時負(fù)極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子，正極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物，正極和負(fù)極反應(yīng)的電勢差即為鋰硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下，鋰硫電池的正極和負(fù)極反應(yīng)逆向進(jìn)行，即為充電過程。根據(jù)單位質(zhì)量的單質(zhì)硫完全變?yōu)镾2-所能提供的電量可得出硫的理論放電質(zhì)量比容量為1675 mAh/g，同理可得出單質(zhì)鋰的理論放電質(zhì)量比容量為3860 mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當(dāng)硫與鋰完全反應(yīng)生成硫化鋰(Li2S)時。相應(yīng)鋰硫電池的理論放電質(zhì)量比能量為2600 Wh/kg。
 

　　硫電極的充電和放電反應(yīng)較復(fù)雜，截止2013年對硫電極在充電和放電反應(yīng)中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物還沒有明確的認(rèn)識。鋰負(fù)極與硫正極的充放電反應(yīng)如式(1-1)至式(1-4)所示，硫電極的放電過程主要包括兩個步驟，分別對應(yīng)兩個放電平臺。式(1-2)對應(yīng)S8的環(huán)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾n2-(3≤n≤7)離子的鏈狀結(jié)構(gòu)，并與Li+結(jié)合生成Li2Sn，該反應(yīng)在放電曲線上對應(yīng)2.4—2.1V附近的放電平臺。式(1-3)對應(yīng)Sn2-離子的鏈狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾2-和S22-并與Li+結(jié)合生成Li2S2和Li2S，該反應(yīng)對應(yīng)放電曲線中2.1—1.8V附近較長的放電平臺，該平臺是鋰硫電池的主要放電區(qū)域。Yuan Lixia等人研究了鋰硫電池中硫正極的電化學(xué)反應(yīng)過程。他們認(rèn)為放電時位于2.5—2.05V電位區(qū)間對應(yīng)單質(zhì)硫還原生成可溶的多硫化物及多硫化物的進(jìn)一步還原，位于2.05—1.5V電位區(qū)間對應(yīng)可溶的多硫化物還原生成硫化鋰固態(tài)膜，它覆蓋在導(dǎo)電碳基體表面。充電時，硫電極中Li2S和Li2S2被氧化S8和Sm2-(6≤m≤7)，并不能完全氧化成S8，該充電反應(yīng)在充電曲線中對應(yīng) 2.5 ~ 2.4V 附近的充電平臺。
 

　　該研究針對鋰硫電池存在的問題和遭遇的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，結(jié)合吳忠?guī)泩F(tuán)隊在高性能鋰硫電池體系和楊啟華團(tuán)隊在高效納米反應(yīng)器催化體系的研究，發(fā)展出原子尺度的、單原子鋅修飾的中空碳?xì)ぜ{米反應(yīng)器。該反應(yīng)器具有較高的比表面積、多級的孔結(jié)構(gòu)、良好的親鋰金屬表面、優(yōu)異的催化活性。將其同時應(yīng)用于鋰硫電池的正極和負(fù)極，提升了正極對多硫化物的吸附催化轉(zhuǎn)化能力，抑制了負(fù)極的鋰枝晶生長。該電池在700圈長循環(huán)條件下，容量衰減率僅0.015%；在高電流密度條件下，仍有989mAh/g的比容量。此種中空碳?xì)ぜ{米反應(yīng)器的設(shè)計策略，為基于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的鋰硫電池等高能密度能源器件的設(shè)計提供參考。
 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》(Advanced Energy Materials)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院等的資助。
 

　　資料來源：百科、大連化學(xué)物理研究所