隨著社會和科技的發(fā)展，人類對電化學儲能技術的需求日益增大，研究人員都在尋找具有更高比能量的下一代二次電池。鋰硫電池以硫為正極活性物質(zhì)，基于硫與鋰之間的可逆電化學反應來實現(xiàn)能量儲存和釋放，其理論比能量可達2600 Wh/kg，是目前鋰離子電池的3-5倍，有望被應用于動力電池、便攜式電子產(chǎn)品等領域。

鋰硫電池領域重要科學與技術難題之一是單質(zhì)硫及其放電產(chǎn)物 Li2S2，Li2S 是典型的電子和離子絕緣體。因此正極內(nèi)部的電荷傳遞受阻，導致硫利用率低下，無法發(fā)揮其高理論比容量的優(yōu)勢；同時傳荷效率低下也影響了電池的倍率性能等動力學性能的提升。

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員陳立桅課題組在理解鋰硫正極電荷傳遞過程的特性，促進正極內(nèi)部的電荷高效傳遞的研究中取得了新進展。

研究人員從基礎研究入手，聚焦于硫材料的納米尺寸效應，制備了粒徑尺寸小于50nm的硫顆粒，并利用導電聚合物PEDOT包覆硫顆粒以期實現(xiàn)高比容量且高循環(huán)穩(wěn)定性的鋰硫電池（圖1）。研究表明，通過硫材料的納米化可以顯著提升正極內(nèi)部電荷傳遞效率，實現(xiàn)較高的放電比容量。此工作發(fā)表于Sci.Rep.,2013,3,1910。在此工作的基礎上，研究人員進一步精確控制硫粒子尺寸，利用硫-胺法（Chem. Commun., 2014,50,1202）合成制備了不同粒徑的硫納米顆粒。通過研究硫材料在不同尺度下的傳荷特性，理解其與放電比容量、能量密度、動力學性能等電池性能的關系（圖2）。研究表明隨顆粒尺寸的減小，電荷傳輸距離隨之減小，硫材料的利用率及動力學特性隨之得到顯著提升。研究人員探索了利用尺寸調(diào)控使硫正極行為趨近或?qū)崿F(xiàn)硫材料的理論比容量的方法。研究表明當硫顆粒尺寸減小至約5nm范圍并在較低電流密度下充放電時，硫正極可以克服傳荷瓶頸，實現(xiàn)高達1672 mAh/g的理論放電比容量值。此工作對通過合理的電極設計以實現(xiàn)鋰硫電池正極高效的電荷傳遞具有指導意義。近日發(fā)表于Nano Lett. 2015, 15, 798。

在進行基礎研究的同時，課題組研究人員還試制了軟包鋰硫電池，努力推動該技術的實際應用和工程化研發(fā)（圖3）。在中科院戰(zhàn)略性先導科技專項“變革性納米制造產(chǎn)業(yè)技術聚焦”項目“長續(xù)航動力鋰電池”的支持下，軟包鋰硫電池的性能指標分別能達到能量密度高于400 Wh/Kg，循環(huán)次數(shù)高于50次。

該系列工作得到國家自然科學基金、中國科學院先導專項以及蘇州納米所的經(jīng)費資助與研發(fā)條件支持。（據(jù)：中國科學院）

圖1. PEDOT包覆S納米顆粒及其電化學性能（Sci.Rep.,2013,3,1910）

圖2. 粒徑為5nm的硫顆粒的電化學性能（Nano Lett. 2015, 15, 798）

圖3. 鋰硫軟包電池原型