異質(zhì)原子摻雜金屬有機(jī)框架衍生多孔碳宿主材料在鋰硫電池中的應(yīng)用

馬政偉,陳甜甜,朱開興

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061)

隨著電動(dòng)汽車和電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)鋰離子電池(LIBs)的能量密度越來越難以滿足人們的需求,因此高能量密度儲能系統(tǒng)的研究和開發(fā)變得越來越迫切。鋰硫電池(LSBs)具有較高的理論能量密度(2 600 Wh·kg-1)和理論比容量(1 675 mAh·g-1),是商業(yè)LIBs能量密度的5倍以上[1]。此外,硫元素具有環(huán)保、儲存豐富、成本低廉等特性[2]。綜合以上優(yōu)點(diǎn),LSBs是非常具有競爭力的新型儲能系統(tǒng)。然而,LSBs在實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用中還存在著一些缺陷。首先,硫本身的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性非常差,僅僅只有5.0×10-30S·cm-1,其氧化還原反應(yīng)后的最終產(chǎn)物(Li2S2/Li2S)也幾乎不導(dǎo)電[3-4]。其次,在硫與Li2S2/Li2S 的多級轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的可溶性多硫化鋰(Li2Sx,2≤x≤8)會(huì)從正極逐漸地穿梭到負(fù)極,產(chǎn)生穿梭效應(yīng),這將導(dǎo)致電池容量極速衰減[5]。此外,在充放電過程中,硫會(huì)發(fā)生巨大的體積膨脹(約79%),伴隨產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力,容易導(dǎo)致硫宿主材料的破壞[6]。

為了解決這些問題,人們已經(jīng)采取了許多方法,如在正極和分離器之間插入功能夾層以阻止多硫化鋰(LiPS)的擴(kuò)散、設(shè)計(jì)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)以更好地容納硫、通過雜原子摻雜來修飾宿主材料的電子態(tài),以提高其對LiPS的錨定能力。碳材料的比表面積和導(dǎo)電性都非常優(yōu)異,一直是硫宿主材料的研究熱點(diǎn)。例如石墨烯、活性炭(AC)、碳納米管(CNTs)和微孔/介孔碳都是良好的宿主材料[7],它們具有較高的硫負(fù)載能力、限制硫體積變化能力和優(yōu)良的LiPS錨定能力。然而,普通碳材料具有非極性特性,與極性LiPS之間的相互作用比較弱,在長期循環(huán)過程中,LSBs的容量衰減得越來越快。……