索鎏敏/李巨Matter: 通过抑制硫的迁移率实现高性能Li-S电池

Matter

2019-10-20

第一作者：薛伟江

通讯作者：索鎏敏，李巨

通讯单位：麻省理工学院，中科院物理所等

研究亮点：

1.首次开发了一种同时具有高电子、离子电导和电化学活性的Chevrel相Mo₆S₈隔膜多功能涂层用于锂硫电池中。

2. 该隔膜多功能涂层有效抑制了锂硫电池中的“穿梭效应”和“Li₂S阻塞效应”，显著提高了电池的循环寿命和倍率性能。

3. 不同于传统非活性涂层会降低全电池能量密度，该新型涂层可以匹配压实后的碳硫正极，使体积能量密度提高20%以上，且大幅提高了软包电池的循环寿命。

研究背景

与现有锂离子电池体系相比，锂硫电池具有更高的理论能量密度、更低的成本和环境友好等优势，是下一代高比能电池体系的理想候选之一。硫（S₈）是典型的阴离子变价的转换反应正极材料，优点是理论容量高，但缺点在于其电导率非常低（1×10^-15 S/m），而且电化学反应的中间产物多硫化锂极易溶于醚类电解液，穿梭到金属锂负极发生不可逆反应，被称为“穿梭效应”，是限制锂硫电池循环寿命的最重要原因。在放电过程中，液态的多硫化锂还会形成Li₂S绝缘层覆盖在正极表面，阻碍电子和离子的传导，使电池的倍率性能下降。因此，解决这些问题的关键在于有效控制多硫化锂的迁移。

拟解决的关键问题

在保持高能量密度的前提下，同时解决锂硫电池“穿梭效应”和“Li₂S阻塞效应”，提高电池的循环寿命和倍率性能。

成果简介

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源重点实验室E01组索鎏敏副研究员与美国麻省理工学院李巨教授和薛伟江博士合作，在前期“嵌入-转化”混合电极大幅提升锂硫电池单体能量密度的研究基础上（Nature Energy, 4, 374-382, 2019），首次开发了一种同时具有高电子、离子电导和电化学活性的Chevrel相Mo₆S₈隔膜多功能涂层，成功解决了上述问题，并将其应用到锂硫软包电池的研究中。

图1. Mo₆S₈隔膜多功能涂层用于锂硫电池。

要点1：Mo₆S₈隔膜多功能涂层抑制多硫化锂的“穿梭”

该新型涂层成功抑制了Li₂S绝缘层的形成，实现了传统硫正极的快速充放（25分钟充满/放空）。该涂层对多硫化锂具有很强的吸附能力，成功地抑制了多硫化锂的“穿梭”，实现了工业级高负载（~4 mg/cm²）碳硫正极的长寿命循环。更重要的是，不同于传统非活性涂层会降低全电池能量密度，该新型涂层可以匹配压实后的硫正极，使体积能量密度提高20%以上。

要点2：同步辐射全场X射线扫描成像揭示涂层演化机理

研究者们与美国布鲁克海文国家实验室合作，利用目前世界上最先进的同步辐射全场X射线扫描成像技术（FullField X-ray Tomography，FFXT），首次在实际电池运行过程中研究了该涂层材料的演化机理。此外，软包电池的性能测试进一步表明，该多功能涂层的使用可以将循环寿命提高一倍以上，对推动锂硫电池商业化具有非常重要的意义。

图 3. PP@Li_xMo₆S₈多功能隔膜在原位电化学过程中的同步辐射全场X射线三维成像。

图 4. PP@Li_xMo₆S₈多功能隔膜在扣式锂-硫电池中电化学性能。

图 5. PP@Li_xMo₆S₈多功能隔膜与碳涂覆隔膜PP@C抑制“Li₂S阻塞效应”的机理对比。

图 6. 采用PP@Li_xMo₆S₈多功能隔膜的软包电池电化学性能。

小结

鉴于此，该项工作开发出一种用于Li-S电池的电化学活性多功能Li_xMo₆S₈中间层，同时具备出色的电子和离子电导率，和防止Li₂S堵塞的能力。与压实后的碳硫正极配合使用，可大大提高体积能量密度和循环能力。这项工作克服了与非活性材料有关的隔膜改性的主要限制，并将为开发高能量密度的Li-S电池开辟新途径。

参考文献

Xue, Weijiang, et al."Manipulating Sulfur Mobility Enables Advanced Li-S Batteries."Matter (2019).

DOI: 10.1016/j.matt.2019.07.002

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238519301067