美国阿贡国家实验室x俄勒冈州州立大学：石墨烯纳米胶囊，促进锂硫电池商业化

2017-06-27 10:51:58 作者：本网整理来源：石墨烯联盟分享至：

美国阿贡国家实验室和俄勒冈州州立大学的研究人员，发现了一种新的阴极结构硫化锂电池，这种阴极由包覆多层石墨烯的二硫化锂纳米晶体组成。这种设计允许最大量的活性硫化物进入电极，从而大大提高了导电性。同时也解决了现有硫电极和先前报道的二锂复合材料面临的主要问题。

近日，《自然·能源》（Nature Energy）在线发表了美国阿贡国家实验室和俄勒冈州州立大学的研究人员，利用一种新的阴极结构设计制作硫化锂电池，可允许最大量的活性硫化物进入电极，从而大大提高了导电性的相关实验以及研究成果。该论文题为“Burning lithium in CS2 for high-performing compact Li2 S–graphene nanocapsules for Li–S batteries”。

    锂硫（Li-S）电池具有非常高的理论储能密度，达到了2600Wh/kg，这是目前最先进的锂离子电池的三到五倍，有望用于未来能量存储。然而，这种电池遇到了一些问题。首先，硫电极的放电产物， S8、Li2S和LiS2都是绝缘体。为了解决这个问题，必须加入大量的导电添加剂，但是这样又会使电极中活性硫含量降低。

    其次，产生的循环中间体，锂的多硫化物（LiPS），极易溶解于液体电解质，而且在内部还会发生氧化还原反应。这使电池的库仑效率降低，电池的容量由此锐减。更夸张的是，硫电极在电池循环中，会产生巨大的体积变化，当电池放电过程中S8电化学还原为Li2S时，体积变化甚至可以达到180%。

    纳米结构导体渗透进硫中

    为了克服这些困难，研究人员主要研究向硫中渗透纳米结构导体，以改善其电子和离子导电性。这些硫纳米复合材料含有一定的空隙，可以适应硫的体积变化。这个研究方向已经取得了很大进展，但这种做法仍然存在一些内在的缺陷。

    首先，虽然多孔纳米导体需要渗透到硫中，但这种多孔材料在循环过程中，能使LiPS留在电极内部，使电化学电池容量降低。第二，活性硫化物不能有效地利用复合材料中的空隙。最后，大多数纳米结构硫电极依然是“蓬松的”，因此很难使用这些材料来制造出更加致密的电极。总的来说，结果令人失望，活性硫材料的质量负载只有2 mg/cm2，并且电极容量相对较低。

    具有优良的电化学性能

    在阿贡国家实验室，Khalil Amine领导的研究团队成功研制出一种新型Li-S 电极结构，他们使用数层石墨烯包覆在Li2S纳米颗粒表面。Li2S@石墨烯纳米胶囊可以最大限度的容纳活性硫化物（10 mg of Li2S/cm2），电化学性质优异。事实上，电极的可逆容量高达1160mAh／g，面积容量达到8.1 mAh／cm2。

    Amine和同事采用一步反应合成了Li2S@石墨烯纳米复合材料，在650摄氏度的氩气气氛下，使锂金属箔与CS2蒸汽进行反应。石墨烯自发的紧密包覆在Li2S纳米晶体表面，从而形成Li2@石墨烯纳米胶囊。Li2纳米粒子大小介于50到80纳米之间，大小均匀，被10–20层石墨烯包裹。这大大降低了两种材料之间的电荷转移电阻，大大提高了Li2的电导率。

    这种设计的其它优势

    在他们实验过程中，研究人员发现Li2具有较高氧化还原活性，电极充电时氧化为硫，放电时又还原回去。在这种电化学转化过程中，石墨烯胶囊可以有效地保存活性硫，因此电极不会膨胀。

    团队成员Jun Lu解释：“这种设计的另外一个优点是Li2纳米粒子仅在共同形成的石墨烯层中形成，所以石墨烯框架功能是作为一个整体的电气管道存在的。这意味着几乎所有的Li2纳米粒子电极具有电化学活性。致密的石墨烯壳还具有良好的物理性能，并且可以保持复合材料结构的完整性。”他补充说，这并是不是所有的优点：循环过程中石墨壳也减少了多硫化物向电解液中的扩散。

    新的电极具有“潜在商业化”的性能

    研究人员表示，“我们的新工作，克服了传统的硫电极和先前报道的表面复合材料存在的问题。简单和可规模化的制造工艺已经开始发展，这意味着在电动汽车行业，该电极很有可能使Li-S电池商业化，具有很大的潜力。”研究团队目前正在进一步优化电极反应，以提高Li2@石墨烯的寿命，特别是高充放电率。Lu说“我们也将研究不同电解液对采用新电极锂硫电池性能的影响”。相关论文全文发表在 Nature Energy 2, Article number: 17090 （2017）（DOI: 10.1038/nenergy.2017.90）上。