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三维碳纳米管电极结构——锂硫电池新突破

   锂-硫电池是近年新发展起来的一种新型的化学电源,其比能量可达2600Wh/kg,这要远远高于传统的锂离子电池,因此锂-硫电池得到了广泛的关注,广大的科技工作者对锂-硫电池进行了大量和系统的研究工作,但是锂-硫电池直到目前尚未被推广使用。

  总结起来主要有以下几个原因:

  1.硫正极的电子导电率很低(5 × 10 −30 S cm −1 ),这限制了锂-硫电池进行大电流放电的能力,限制了锂-硫电池的功率密度;

  2.正极硫化合物溶解的问题,硫的溶解的导致锂-硫电池在循环过程中容量衰减过快;

  3.锂负极枝晶生长的问题,在锂-硫电池中,负极采用金属锂,在充电的过程中负极还原的金属锂会生长成为枝晶,从而刺穿隔膜,引发电池起火爆炸,导致严重的安全问题。上述的原因导致锂-硫电池虽然具有超高的比能量但是却无法在实际中应用。


最新的研究显示,将硫正极填充在具有纳米-微米孔的碳中可以有效的提高硫正极的性能。这一方面是因为碳材料改善了硫电极的导电性,另一方面碳材料也抑制了硫的溶解。

  针对锂枝晶的问题,过去的研究一直集中在调整电解液组分,以优化SEI膜,但是最近的研究发现,物理保护层能够有效的抑制锂枝晶的生长,物理保护层的形成主要通过涂层和形成SEI膜的方式形成。

  集流体是另外一个我们需要考虑的问题。一般来说,传统的锂-硫电池正极材料是通过传统的涂布工艺将含有S的浆料涂布到电极上,然后经过烘干和碾压,再与锂箔共同组成锂-硫电池,但是这种工艺会导致不发挥容量的无效物质的质量增加,而有效质量(S的比重)降低,影响锂-硫电池的能量密度。

  我们以浆料中含有70%S,干燥后含有80%S,浆料涂布再25μm的铝箔上,涂布密度6mg/cm2为例,整个正极仅仅含有34%S,这极大的限制了锂-硫电池能量密度的提升。


为了解决上述问题,中科大的Song Jin等人利用微米级长度的碳纳米管研制了一种超厚三维石墨泡沫集流体结构(CNT-UGF)Song Jin首先利用气相沉积法合成了具有三维多孔结构的CNT-UGF框架结构,S正极制备是通过熔化-吸收的方式,首先将S熔化,再利用CNT-UGF将熔化的硫吸收和储存。

  由于使用CNT-UGF的硫电极不需要使用粘结剂和导电剂,以及集流体,因此可以将S的含量提高到43%(2.4mg/cm2的涂布密度)。同时该中电极结构能够很好的抑制电极的衰降,经测试在0.5C的倍率下,循环400次后,容量衰降率仅为0.063%/次。

  如果将CNT-UGF与负极的锂箔结合,可以将电压滞后减少了14%,在循环800h后仍然没有发生短路,而纯锂箔在260h后就发生了短路。采用CNT-UGF电极结构的锂-硫电池(正极涂布量2.6mg/cm2S含量47%,负极Li-CNT-UGF复合负极,Li含量为20%)12C的高倍率下,获得了860mAh/g,功率密度8680W/kg,能量密度达到720Wh/kg

  这种方法目前成本还很高,但是利用该方法制备的电极具有很强的通用性,例如可以制成软包方形电池,当然这还需要再电解液量、密封和极耳焊接工艺做出相应的调整。





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