一氧化鈦/碳復合空心球在鋰硫電池中的應用

郭玉國

(中國科學院化學研究所，分子納米結構與納米技術重點實驗室，北京100190)

一氧化鈦/碳復合空心球在鋰硫電池中的應用

郭玉國

(中國科學院化學研究所，分子納米結構與納米技術重點實驗室，北京100190)

隨著科技的發展和進步，一些新興的應用領域，如電動汽車、消費電子、大規模儲能電站等，對二次電池的性能也提出了越來越高的要求，傳統的鋰離子二次電池偏低的能量密度成為制約其在這些領域應用的瓶頸。開發基于新化學原理儲能的高能量密度電池體系正成為全球范圍內的研究熱點。單質硫的理論比容量為1675 mAh·g－1，與金屬鋰構建成鋰硫電池時，其理論能量密度高達2600 Wh·kg－1；同時，硫還是一種來源豐富、價格低廉、對環境友好的材料。因此，鋰硫電池被認為是最具發展前景的電池體系之一。盡管如此，受限于單質硫的物化特性及鋰硫電池電化學反應過程中固有的反應特性，鋰硫電池的商業化應用仍然面臨諸多技術難點，主要包括：(1)單質硫的導電性差；(2)反應中間產物多硫化鋰在有機電解液中極易溶解流失，導致電池循環穩定性變差和庫倫效率降低；(3)硫在鋰化過程中有較大的體積膨脹。

在近期發表的Nature Communications論文中，新加坡南洋理工大學樓雄文課題組及北京計算科學研究中心劉利民課題組報道了一種由一氧化鈦和碳組成的空心納米球(TiO@C)，并將其作為硫的載體應用于鋰硫電池1。一氧化鈦的電導率遠高于二氧化鈦及Magnéli相的亞氧化鈦(TinO2n－1,n= 4－10)，同時其化學穩定性又與亞氧化鈦(Ti4O7)類似。理論計算的結果表明，相對于二氧化鈦，一氧化鈦與多硫化鋰之間的吸附結合能更強。但是，考慮到極性材料對多硫化鋰的化學吸附能力有一定的限度，當硫含量較高時，電極中的多硫化鋰并不能全部都被有效吸附在極性基體材料的表面2。為此，研究人員設計了空心納米結構作為硫的載體。當硫被限制在由一氧化鈦和碳共同構成的空心球內部后，鋰硫電池在循環過程中形成的多硫離子能夠被有效地束縛在該極性結構內部而不易溶出。這種空心結構的設計最大化地利用了極性材料對多硫離子吸附的作用，相對于常規的納米顆粒，基于該空心納米球構筑的正極材料表現出了更好的循環穩定性和倍率性能。在硫的面負載量達到4 mg·cm－2時，鋰硫電池仍表現出良好的電化學活性和循環穩定性。

樓雄文等人的工作克服了硫正極材料的主要問題，同時，揭示了空心納米結構在鋰硫電池中的應用優勢，為鋰硫電池正極材料的設計和合成提供了新思路。

(1) Li,Z.;Zhang,J.;Guan,B.;Wang,D.;Liu,L.M.;Lou,X.W. Nat.Commun.2016,7,13065.doi:10.1038/ncomms13065

(2) Li,Z.;Wu,H.B.;Lou,X.W.Energy Environ.Sci.2016,9,3061. doi:10.1039/C6EE02364A

10.3866/PKU.WHXB201611011