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美國阿貢國家實驗室x俄勒岡州州立大學：石墨烯納米膠囊，促進鋰硫電池商業化

2017-06-27 10:51:58 作者：本網整理來源：石墨烯聯盟分享至：

美國阿貢國家實驗室和俄勒岡州州立大學的研究人員，發現了一種新的陰極結構硫化鋰電池，這種陰極由包覆多層石墨烯的二硫化鋰納米晶體組成。這種設計允許最大量的活性硫化物進入電極，從而大大提高了導電性。同時也解決了現有硫電極和先前報道的二鋰復合材料面臨的主要問題。

近日，《自然·能源》（Nature Energy）在線發表了美國阿貢國家實驗室和俄勒岡州州立大學的研究人員，利用一種新的陰極結構設計制作硫化鋰電池，可允許最大量的活性硫化物進入電極，從而大大提高了導電性的相關實驗以及研究成果。該論文題為“Burning lithium in CS2 for high-performing compact Li2 S–graphene nanocapsules for Li–S batteries”。

    鋰硫（Li-S）電池具有非常高的理論儲能密度，達到了2600Wh/kg，這是目前最先進的鋰離子電池的三到五倍，有望用于未來能量存儲。然而，這種電池遇到了一些問題。首先，硫電極的放電產物， S8、Li2S和LiS2都是絕緣體。為了解決這個問題，必須加入大量的導電添加劑，但是這樣又會使電極中活性硫含量降低。

    其次，產生的循環中間體，鋰的多硫化物（LiPS），極易溶解于液體電解質，而且在內部還會發生氧化還原反應。這使電池的庫侖效率降低，電池的容量由此銳減。更夸張的是，硫電極在電池循環中，會產生巨大的體積變化，當電池放電過程中S8電化學還原為Li2S時，體積變化甚至可以達到180%。

    納米結構導體滲透進硫中

    為了克服這些困難，研究人員主要研究向硫中滲透納米結構導體，以改善其電子和離子導電性。這些硫納米復合材料含有一定的空隙，可以適應硫的體積變化。這個研究方向已經取得了很大進展，但這種做法仍然存在一些內在的缺陷。

    首先，雖然多孔納米導體需要滲透到硫中，但這種多孔材料在循環過程中，能使LiPS留在電極內部，使電化學電池容量降低。第二，活性硫化物不能有效地利用復合材料中的空隙。最后，大多數納米結構硫電極依然是“蓬松的”，因此很難使用這些材料來制造出更加致密的電極。總的來說，結果令人失望，活性硫材料的質量負載只有2 mg/cm2，并且電極容量相對較低。

    具有優良的電化學性能

    在阿貢國家實驗室，Khalil Amine領導的研究團隊成功研制出一種新型Li-S 電極結構，他們使用數層石墨烯包覆在Li2S納米顆粒表面。Li2S@石墨烯納米膠囊可以最大限度的容納活性硫化物（10 mg of Li2S/cm2），電化學性質優異。事實上，電極的可逆容量高達1160mAh／g，面積容量達到8.1 mAh／cm2。

    Amine和同事采用一步反應合成了Li2S@石墨烯納米復合材料，在650攝氏度的氬氣氣氛下，使鋰金屬箔與CS2蒸汽進行反應。石墨烯自發的緊密包覆在Li2S納米晶體表面，從而形成Li2@石墨烯納米膠囊。Li2納米粒子大小介于50到80納米之間，大小均勻，被10–20層石墨烯包裹。這大大降低了兩種材料之間的電荷轉移電阻，大大提高了Li2的電導率。

    這種設計的其它優勢

    在他們實驗過程中，研究人員發現Li2具有較高氧化還原活性，電極充電時氧化為硫，放電時又還原回去。在這種電化學轉化過程中，石墨烯膠囊可以有效地保存活性硫，因此電極不會膨脹。

    團隊成員Jun Lu解釋：“這種設計的另外一個優點是Li2納米粒子僅在共同形成的石墨烯層中形成，所以石墨烯框架功能是作為一個整體的電氣管道存在的。這意味著幾乎所有的Li2納米粒子電極具有電化學活性。致密的石墨烯殼還具有良好的物理性能，并且可以保持復合材料結構的完整性。”他補充說，這并是不是所有的優點：循環過程中石墨殼也減少了多硫化物向電解液中的擴散。

    新的電極具有“潛在商業化”的性能

    研究人員表示，“我們的新工作，克服了傳統的硫電極和先前報道的表面復合材料存在的問題。簡單和可規模化的制造工藝已經開始發展，這意味著在電動汽車行業，該電極很有可能使Li-S電池商業化，具有很大的潛力。”研究團隊目前正在進一步優化電極反應，以提高Li2@石墨烯的壽命，特別是高充放電率。Lu說“我們也將研究不同電解液對采用新電極鋰硫電池性能的影響”。相關論文全文發表在 Nature Energy 2, Article number: 17090 （2017）（DOI: 10.1038/nenergy.2017.90）上。