基于金屬有機框架和碳納米管的可折疊鋰-硫電池

莊 林

基于金屬有機框架和碳納米管的可折疊鋰-硫電池

莊 林

(武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072)

隨著能源危機和環境污染的不斷加劇，以及電子電動設備的飛速發展，對低成本高能量的儲能體系的研究和開發一直受到廣泛關注。鋰-硫電池具有能量密度高，價格低廉，環境友好等優點，是極具潛力的新一代儲能體系1,2。然而，鋰-硫電池中活性物質導電性差，中間產物多硫化物的溶解和穿梭效應，以及充放電過程中較大的體積變化等問題，導致其活性物質利用率低，循環壽命較差，制約著其進一步發展3,4。因此，如何提高活性物質導電性，抑制聚硫化鋰的穿梭效應，并獲得較高能量密度的硫正極是提高鋰-硫電池性能的核心問題，而合理有效的硫正極結構設計是改善鋰-硫電池性能的關鍵技術5,6。

最近浙江大學彭新生教授和林展教授等合作開發了一種基于金屬有機框架材料(MOFs)和碳納米管的多級孔結構柔性復合薄膜，用于高性能可折疊柔性鋰-硫電池，相關結果發表在Nature Communications雜志上7。該設計利用自限制固態轉換法獲得了碳納米管對MOFs進行穿插并編織成自支撐的多級孔結構的柔性電極，利用MOFs材料的高孔隙率和孔尺寸效應，以及金屬活性中心對聚硫離子的吸附作用，有效束縛活性物質于MOFs孔內，抑制其溶解損失和穿梭效應；同時由于碳納米管的穿插作用，使得電極具有良好的導電性，以及優異的結構穩定性，有利于硫高效和持久的電化學反應。所得電池表現出優異的循環性能，較高的硫載量(11.33 mg·cm-2)，以及高達1195 mAh·cm-3的能量密度，并且可在不同折疊程度上獲得穩定的能量輸出，為獲得高能量密度和柔性的鋰-硫，乃至鋰離子、鈉離子和鋰空氣電池等提供了新的思路。

(1) Manthiram,A.;Fu,Y.;Chung,S.H.;Zu,C.;Su,Y.S.Chem.Rev. 2014,114,11751.doi:10.1021/cr500062v

(2) Bruce,P.G.;Freunberger,S.A.;Hardwick,L.J.;Tarascon,J.M. Nat.Mater.2012,11,19.doi:10.1038/nmat3191

(3) Wild,M.;O'Neill,L.;Zhang,T.;Purkayastha,R.;Minton,G.; Marinescu,M.;Offer,G.J.Energy Environ.Sci.2015,8,3477. doi:10.1039/c5ee01388g

(4) Hagen,M.;Hanselmann,D.;Ahlbrecht,K.;Ma?a,R.;Gerber,D.; Tübke,J.Adv.Energy Mater.2015,5,1401986.doi:10.1002/ aenm.201401986

(5) Seh,Z.W.;Sun,Y.;Zhang,Q.;Cui,Y.Chem.Soc.Rev.2016,45, 5605.doi:10.1039/c5cs00410a

(6) Ogoke,O.;Wu,G.;Wang,X.;Casimir,A.;Ma,L.;Wu,T.;Lu,J. J.Mater.Chem.A 2017,5,448.doi:10.1039/c6ta07864h

(7) Mao,Y.;Li,G.;Guo,Y.;Li,Z.;Liang,C.;Peng,X.;Lin,Z.Nat. Commun.2017,8,14628.doi:10.1038/ncomms14628

Metal-Organic Framework/Carbon Nanotube-Based Foldable Lithium-Sulfur Battery

ZHUANG Lin
(College of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703093