全石墨烯正極結構設計：更可靠的高性能鋰硫電池

張強

(清華大學化學工程系，北京100084)

全石墨烯正極結構設計：更可靠的高性能鋰硫電池

張強

(清華大學化學工程系，北京100084)

近年來移動電子設備、電動汽車和可再生能源的飛速發展對二次電池的能量密度提出了更高的要求，傳統鋰離子電池因受理論能量密度限制，已難以滿足需要，因此新型高能量密度二次電池的開發受到高度關注。以單質硫為正極，金屬鋰為負極的鋰硫電池具有高達2600 Wh·kg－1的理論能量密度，同時由于單質硫儲量豐富、價格低廉等特點，鋰硫電池被視為最具有發展前景的下一代高能量二次電池之一，并受到了研究者的廣泛關注1。然而，單質硫的低導電性以及充放電中間產物多硫化物的溶解與穿梭等問題使鋰硫電池的大規模商業化仍面臨著諸多挑戰。

多孔碳材料具有優異的導電性、豐富的孔結構和極高的化學穩定性，因此發展硫/多孔碳復合電極材料被認為是提高鋰硫電池性能的有效途徑之一2。然而，多數研究工作中報導的硫/碳復合材料中硫的負載量較低(小于70%(w))，使得電極中硫的單位面密度較低(小于2 mg·cm－2)，進而導致硫/碳復合電極較低的面容量，甚至低于商用鋰離子電池4.0 mAh·cm－2的水平，嚴重制約了鋰硫電池的實用化進程3－5。

最近，中國科學院金屬研究所先進炭材料研究部李峰研究員課題組利用石墨烯材料衍生物眾多、性能多樣化的特點，提出了一種全石墨烯鋰硫電池正極結構設計。在該結構中，高孔容石墨烯作為硫的擔載體，其孔容量高達3.51 cm3·g－1，可實現80%(w)的負載量；高導電石墨烯作為集流體，相比傳統的金屬集流體，其輕質的特點有助于提升電池整體的能量密度；部分氧化石墨烯作為吸附層，其含氧官能團與多硫化物的化學鍵合作用可有效防止多硫化物向負極的遷移。該全石墨烯正極具有高達5 mg·cm－2的面密度，其首次放電比容量高達1500 mAh·g－1，對應于7.5 mAh·cm－2的面容量。在經過400次循環后，仍能保持841 mAh·g－1的比容量，表現了優異的循環穩定性。通過三種石墨烯的協同作用，該全石墨烯正極實現了更可靠的高性能鋰硫電池，表現出良好的實用化前景。該工作近期發表于ACS Nano6雜志上。

(1) Yu,M.;Li,R.;Wu,M.;Shi,G.Energy Storage Mater.2015,1, 51.doi:10.1016/j.ensm.2015.08.004

(2) Liang,J.;Sun,Z.H.;Li,F.;Cheng,H.M.Energy Storage Mater. 2016,2,76.doi:10.1016/j.ensm.2015.09.007

(3) Fang,R.P.;Zhao,S.Y.;Hou,P.X.;Cheng,M.;Wang,S.G.; Cheng,H.M.;Liu,C.;Li,F.Adv.Mater.2016,28,3374.doi: 10.1002/adma.201506014

(4) Peng,H.J.;Xu,W.T.;Zhu,L.;Wang,D.W.;Huang,J.Q.; Cheng,X.B.;Yuan,Z.;Wei,F.;Zhang,Q.Adv.Funct.Mater. 2016,26,6351.doi:10.1002/adfm.201602071

(5) Yuan,Z.;Peng,H.J.;Huang,J.Q.;Liu,X.Y.;Wang,D.W.; Cheng,X.B.;Zhang,Q.Adv.Funct.Mater.2014,24,6105.doi: 10.1002/adfm.201401501

(6) Fang,R.;Zhao,S.;Pei,S.;Qian,X.;Hou,P.X.;Cheng,H.M.; Liu,C.;Li,F.ACS Nano 2016,doi:10.1021/acsnano.6b04019

10.3866/PKU.WHXB201611031