超快長循環(huán)壽命鋰硫電池：基于石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)

隨著通訊便攜式電子設(shè)備、空間技術(shù)和電動汽車等領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們對電池的要求變得越來越高，使得高容量、長循環(huán)壽命、低成本及環(huán)境友好的新型鋰電池開發(fā)成為一個熱門的研究領(lǐng)域。近年來發(fā)現(xiàn)，以單質(zhì)硫為正極活性材料的鋰硫(Li-S)電池能夠突破傳統(tǒng)的過渡金屬氧化物基正極物質(zhì)的理論儲鋰容量限制(當(dāng)發(fā)生電池反應(yīng)S + 2Li = Li2S時，相應(yīng)的理論比能量為2567 Wh/Kg及正極理論比容量高達(dá)1675 mAh/g，且硫和鋰的反應(yīng)具有可逆性)，且鋰硫電池中的正極材料硫具有儲量豐富、無毒、廉價等特點而倍受關(guān)注。

然而，雖然鋰硫電池具備上述優(yōu)勢，在實際應(yīng)用之前許多問題仍有待解決。例如硫的低電導(dǎo)率、電池充放電過程中產(chǎn)生易溶解于有機電解液的多硫化鋰、及生成的Li2S終產(chǎn)物導(dǎo)電性差且不溶解，都容易影響電極中活性硫的利用率及電池性能。同時單質(zhì)硫和 Li2S由于兩者密度的不同，容易導(dǎo)致充放電過程中硫和Li2S體積改變，使電極產(chǎn)生壓力并破壞其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致電池容量易快速衰減。而且，電極中高度可溶的多硫化物能在陰極和陽極之間穿梭，并在陰極和陽極之間形成固態(tài)Li2S2/Li2S庫，造成了硫的不可逆損耗，這將導(dǎo)致電池的庫倫效率低、低循環(huán)承載力及高阻抗。為了攻克鋰硫電池開發(fā)中的瓶頸，研究人員采取了多種手段包括添加電子導(dǎo)體與硫復(fù)合提高導(dǎo)電性、抑制多硫化物過多溶解、增加鋰負(fù)極保護(hù)等方法，并取得了不錯了進(jìn)展。

有趣的是，近期來自中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室的成會明課題組發(fā)現(xiàn)石墨烯可作為硫電極及電池隔膜的保護(hù)及導(dǎo)電層從而形成一個獨特三明治結(jié)構(gòu)，在增加導(dǎo)電性的同時確保多硫化鋰不會穿透電池隔膜而腐蝕鋰負(fù)極，從而提高鋰硫電池的性能。該文章還指出，與使用鋁箔作為正極集電體及使用未包覆石墨烯的商品化電池隔膜情況相比，采用石墨烯作為正極集電體(Graphene Current Collector, GCC)和石墨烯隔膜(Graphene membrane coated commercial polymer separator, G-separator)能夠有效地降低集電器、活性材料和電解液的接觸阻抗。更值得關(guān)注的是，包被有兩層石墨烯的電極能提供快速的離子和電子通道，適應(yīng)硫體積膨脹，儲存并重復(fù)利用遷移的多硫化物以減輕穿梭效應(yīng)。石墨烯集電體的輕質(zhì)特點還使其構(gòu)成的鋰硫電池具有更高的能量密度。此外，由于石墨烯對于的包裹，是得硫極能夠直接和碳黑復(fù)合，而不需使用特殊的炭基質(zhì)或多聚物包被，從而簡化了電極的制備過程。同時，該文章還展示了大面積石墨烯集電器及石墨烯隔膜的制備，預(yù)示著該設(shè)計可用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。

該研究成果證實了利用石墨烯包裹電極及隔膜可作為一個簡單且高效的策略提升鋰硫電池的性能，從而為高容量、長循環(huán)、易加工的鋰硫電池開發(fā)提供了一種新思路。