鋰硫電池因其較高的理論容量（1675 mAh g-1）和能量密度，被認為是增加電動汽車續(xù)航里程的有效策略之一。然而，硫正極電子導(dǎo)電性差、體積變化劇烈以及多硫化鋰的穿梭效應(yīng)等缺點，嚴重阻礙了鋰硫電池的性能。因此，開發(fā)和制備新型硫正極材料將會是實現(xiàn)高效儲能鋰硫電池的有效途徑之一。
青島能源所武建飛研究員率領(lǐng)的先進儲能材料與技術(shù)研究組在鋰硫電池領(lǐng)域進行了一系列的科學(xué)探索。近期，研究組在前期研究的基礎(chǔ)上（Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131790），成功開發(fā)出具有高比表面和多級孔結(jié)構(gòu)的活性炭（AC）載體，并通過硒 (Se) 和碲 (Te) 取代部分S的新型正極材料。該新型正極還具備容量高、導(dǎo)電性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在醚類和酯類電解液中都能表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
如圖1所示，Raman光譜、XRD和XPS譜圖中出現(xiàn)了有別于S、Se、Te單一組分的新的特征峰，HRTEM圖中也出現(xiàn)了基于S-Se-Te的晶格條紋，表明該正極材料并非S、Se、Te三種組分簡單的物理混合，而是彼此鍵合形成一種新型的三元化合物。該SST/AC復(fù)合電極在醚類和酯類電解液中都表現(xiàn)出優(yōu)于單一S的電化學(xué)性能。在酯類電解液中，電池在0.5 C電流密度下循環(huán)300圈后仍能保持1024.9 mAh g-1的高比容量，且在酯類和醚類電解液中容量保持率都能達到70%以上，表現(xiàn)出良好的兼容性。此外，S、Se和Te的三元協(xié)同效應(yīng)可有效提升材料的導(dǎo)電性能，顯著降低電荷傳輸能壘，從而減小了充放電過程中的電化學(xué)極化，改善了材料的庫倫效率和循環(huán)性能。
通過硫族元素改良硫正極，解決鋰硫電池中硫正極本征缺陷的問題，且在醚類和酯類電解液中均有良好的兼容性，為硫族元素在鋰硫電池中的研究和應(yīng)用，提供了新思路。本工作的相關(guān)研究成果近期發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces《應(yīng)用材料與界面》期刊上。
論文第一作者為博士生楊澤文，通訊作者為武建飛研究員和孫曉林高級工程師。上述工作獲得了國家面上自然科學(xué)基金、中科院潔凈能源實驗室合作項目、中國博士后科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c08642
Zewen Yang, Dandan Jia, Qing Zhao, Depeng Song, Yuan Zhang, Jing Gao, Xiaolin Sun,* Takeo Ohsaka, Futoshi Matsumoto, Qiang Shen, and Jianfei Wu*, Multichalcogen-Integrated Cathodes for Novel Lithium-Chalcogenide Batteries in Ether and Ester Electrolytes. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 2c08642
圖1 S-Se-Te三元復(fù)合正極材料物相形貌表征及電化學(xué)性能
