中國高能量密度鋰硫電池研究取得進展

（觀察者網訊）據觀察者網4月1日從中科院網站獲悉，由於正極材料硫具有高理論比容量、豐富的自然儲備、低成本和環境友好等顯著優點，鋰硫電池被認為是最有前景的下一代能量存儲系統。使用導電碳質材料作為硫主體來構造硫正極的傳統方法中，由於低極性碳和高極性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，特別是對於高載硫電極。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移並減緩了硫物種的反應動力學。而且，大量低振實密度碳的存在，極大地犧牲了電池的體積能量密度。設計一種具有高導電性和豐富暴露活性位點的硫主體材料以替代導電碳，以獲得高的面積和體積容量具有重要意義。

中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員王瑞虎課題組採用海藻酸鈉誘導的化學鍵裁剪策略，提出基於MXene的Ti3C2Tx（Tx代表表面官能團）納米點-散佈的Ti3C2Tx納米片（TCD-TCS），以實現在高硫負載條件下活性物質硫的限域固定和轉化。TCD-TCS中豐富的表面極性位點增強了電極的結構完整性，不含碳基材料和導電添加劑使得正極材料具有高振實密度。TCD-TCS/ S電極在1.8mg cm-2的中等載硫量下表現出幾乎理論的放電比容量。在13.8mg cm-2的高硫負載下，同步實現超高容量（1957mAh cm-3）和高面積容量（13.7mAh cm-2）。放電過程中硫析出機理研究表明了基於MXene的納米點和納米片的集成在Li-S電池中的重要性。上述工作發表於ACS Nano（Ultrafine Ti3C2 MXene 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，採用未加入任何碳導電添加劑的花狀多孔Ti3C2Tx(FLPT)基正極系統，實現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，先後採用高導電過渡金屬硫化物（TiS2和NbS2）作為添加劑應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）。並採用水熱法得到還原氧化石墨烯/硫化釩（rGO/VS2）複合材料應用於三元硫正極體系中，製備得到具有密堆積三明治結構的rGO/VS2-S正極材料，實現了體積能量密度的大幅提升（Adv. Energy Mater. 2018, 7, 1702337）。