福建物構(gòu)所高能量密度鋰硫電池研究取得進(jìn)展

由于正極材料硫具有高理論比容量、豐富的自然儲(chǔ)備、低成本和環(huán)境友好等顯著優(yōu)點(diǎn)，鋰硫電池被認(rèn)為是最有前景的下一代能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。使用導(dǎo)電碳質(zhì)材料作為硫主體來構(gòu)造硫正極的傳統(tǒng)方法中，由于低極性碳和高極性LiPS之間的相互作用弱，碳基材料提供的物理隔離和物理吸附對抑制電池容量衰減的作用有限，特別是對于高載硫電極。此外，碳基材料和LiPS的親和性差也阻礙了有效的界面電荷轉(zhuǎn)移并減緩了硫物種的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。而且，大量低振實(shí)密度碳的存在，極大地犧牲了電池的體積能量密度。設(shè)計(jì)一種具有高導(dǎo)電性和豐富暴露活性位點(diǎn)的硫主體材料以替代導(dǎo)電碳，以獲得高的面積和體積容量具有重要意義。

在國家自然科學(xué)基金（21601191，21673241, 21471151)）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB20000000）、福建省自然基金（2018J01030）的資助下，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王瑞虎課題組采用海藻酸鈉誘導(dǎo)的化學(xué)鍵裁剪策略，提出基于MXene的Ti₃C₂T_x（T_x代表表面官能團(tuán)）納米點(diǎn)-散布的Ti₃C₂T_x納米片（TCD-TCS），以實(shí)現(xiàn)在高硫負(fù)載條件下活性物質(zhì)硫的限域固定和轉(zhuǎn)化。TCD-TCS中豐富的表面極性位點(diǎn)增強(qiáng)了電極的結(jié)構(gòu)完整性，不含碳基材料和導(dǎo)電添加劑使得正極材料具有高振實(shí)密度。TCD-TCS/ S電極在1.8mg cm^-2的中等載硫量下表現(xiàn)出幾乎理論的放電比容量。在13.8mg cm^-2的高硫負(fù)載下，同步實(shí)現(xiàn)超高容量（1957mAh cm^-3）和高面積容量（13.7mAh cm^-2）。放電過程中硫析出機(jī)理研究表明了基于MXene的納米點(diǎn)和納米片的集成在Li-S電池中的重要性。上述工作發(fā)表于ACS Nano（Ultrafine Ti₃C₂MXene Nanodots-Interspersed Nanosheet for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries, ACS Nano,2019, 13, 3608–3617）。論文的第一作者為助理研究員肖助兵。

此前，肖助兵等以提高鋰硫電池面積容量和體積容量為研究目標(biāo)，采用未加入任何碳導(dǎo)電添加劑的花狀多孔Ti₃C₂T_x(FLPT)基正極系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鋰硫電池面積容量和體積容量的雙重提高（ACS Nano,2019, 13, 3404-3412）。此外，先后采用高導(dǎo)電過渡金屬硫化物（TiS₂和NbS₂）作為添加劑應(yīng)用在鋰硫電池正極以提高電池面積容量和大電流放電容量（Energy Storage Mater. 2018, 12, 252-259；ACS Nano 2017, 11, 8488-8498；ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 18845-18855）。并采用水熱法得到還原氧化石墨烯/硫化釩（rGO/VS₂）復(fù)合材料應(yīng)用于三元硫正極體系中，制備得到具有密堆積三明治結(jié)構(gòu)的rGO/VS₂-S正極材料，實(shí)現(xiàn)了體積能量密度的大幅提升（Adv. Energy Mater. 2018,7, 1702337）。