近日,国际知名学术期刊ACS Nano以“Dynamic Intercalation-Conversion Site Supported Ultrathin 2D Mesoporous SnO2/SnSe2 Hybrid as Bifunctional Polysulfide Immobilizer and Lithium Regulator for Lithium-Sulfur Chemistry”为题,在线报道了我校威尼斯886699功能炭材料研究团队在锂硫电池领域研究的新进展。
锂硫电池因硫的低成本、超高的理论容量(1675mAh g-1),高能量密度(2600Wh kg-1)等优势,被认为是继锂离子电池之后最具应用前景的电化学储能体系之一。对硫正极而言,可多硫化锂溶于电解液形成“穿梭效应”,导致活性物质硫利用率低和容量快速衰减等问题;对锂负极而言,锂枝晶的不可控生长容易引发电池短路甚至有安全隐患。因此,如何在电池长期循环过程中同步抑制“穿梭效应”和“枝晶生长”成为锂硫电池实际应用化进程中一项艰巨的技术挑战。
针对以上问题,功能炭材料研究团队合成了一种“双功能”石墨烯介孔SnO2/SnSe2纳米片用作锂硫电池的隔膜修饰层(G-mSnO2/SnSe2),其具备高电导率、强化学吸附位点(SnO2)和动态插层转换动力学(LixSnSe2)等特点。采用原位XRD、原位Raman、非原位XANES和DFT模拟计算,证实了该隔膜修饰层对“穿梭效应”具有较好的抑制作用,并且能促进多硫化锂催化转化。此外,G-mSnO2/SnSe2较强的亲锂位点和多孔结构有助于降低锂的成核过电位和Li剥离与沉积过程中负极表面的均匀成核,进而有效抑制锂枝晶生长。当G-mSnO2/SnSe2用作锂硫电池的隔膜修饰层时,展现出优异的电化学性能:高硫利用率(0.2 C,1544 mAh g-1)、长循环寿命(5 C电流密度下循环2000次可逆容量高达648 mAh g-1,平均每圈容量衰减率仅为0.0144%)和倍率性能(8 C,794 mAh g-1);Li|Li对称电池在1 mA cm-2/1 mAh cm-2条件下可稳定循环2200 h以上,Li-Cu电池经500次循环后库伦效率仍维持在99%以上。此外,所组装的1.6 g S/Ah级软包电池在低电解质/硫比率(E/S= 3 μL mg-1)和低负极/正极比(N/P = 2.6)条件下,电池其能量密度仍然高达359 Wh kg-1。
我校威尼斯886699詹亮教授和北京理工大学陈人杰教授为该论文通讯作者,研究工作得到了国家自然科学基金等项目资助。
原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c02810