锂硫电池功能电解液添加剂的研究

Lithium-sulfur batteries are regard as the most promising secondary battery system to reach the real energy density of 300 Wh/kg in the near future. This application focuses on the exploitation of functional electrolyte additives to improve the performances of sulfur cathode and lithium anode. For cathode, additives are selected to improve the transport of ions in the electrolyte. The diffusion and loss towards the lithium anode of the polysulfides could be reduced by the additives. For anode, to enhance the stability of Li electrode, metallic cations with higher reduction potentials than Li and halogen-containing Li salt which are easily decomposed at Li electrode are studied as additives, respectively. The additives towards Li anode are introduced to improve the properties of Li anode surface by adjusting the composition of SEI film. Through the intensive study on additives, the compatible electrolytes for both the sulfur cathode and the lithium anode are expected to obtain. Furthermore, high energy Li-S batteries with high cycle stability are prospective by adopting the optimized electrolytes with functional additives.

锂硫电池是最具潜力达到实际能量密度300Wh/kg以上的二次电池体系，已成为高能二次电池研究的重点。该申请主要通过电解液添加剂来改善锂硫电池的性能。为了提高硫正极的容量和稳定性，该申请通过研究电解液添加剂与多硫化物的作用，来改善离子传输，抑制多硫化物的扩散，减小硫在金属锂负极的不可逆沉积。添加剂选择研究具有Lewis酸性的含硼化合物和具有大尺寸阳离子的离子化合物。为了提高锂负极的稳定性，该申请通过电解液添加剂在锂表面的沉积和分解，来调节锂负极SEI膜组成，提高SEI膜稳定性，改善锂表面形貌。添加剂选择研究具有高沉积电位的金属阳离子化合物和易在锂电极分解的含卤素锂盐。通过以上研究，探索并设计出与高载硫量硫电极和锂负极兼容性好的电解液体系，以期实现具有高循环稳定性的锂硫电池。这可为高比能锂硫电池体系的构筑和开发奠定坚实基础，具有重要的科学意义和潜在的应用前景。

本项目针对锂硫电池硫正极容量衰减和金属锂负极稳定性差的问题，重点开展了锂硫电池电解液添加剂研究工作。提出了硝酸镧作为电解液添加剂，阐明了添加硝酸镧提高金属锂负极稳定性的作用机制。研究了聚多巴胺作为凝胶电解质添加剂，利用其结构单元中吡咯氮的亲锂性，调控锂的成核和溶解/沉积过程，明显改善了锂负极的稳定性和硫正极的电化学性能。此外，在锂硫电池中引入多孔碳夹层，碳夹层可视为锂硫电池体系的“添加剂”，可同时提高硫正极电化学性能和金属锂负极的表面稳定性。通过构建功能性复合硫正极材料，包括石墨烯/碳纳米管/钴/硫复合材料和聚丙烯腈封装微孔碳/硫复合材料，利用复合材料中多组分协同作用，提升硫正极材料的比容量和稳定性。从实用化角度出发，本项目制备了高负载硫正极和铁酸镍/硫两类电极，分别在正极面容量和体积比容量两个方面，改善了锂硫电池的电化学性能。相关研究成果发表Adv. Energy Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem. A等学术期刊上，共发表SCI论文7篇（同时被EI收录），申请发明专利2项。项目培养博士后1人，博士生4人，硕士生2人。