锂硫电池用复合多孔离子传导膜的结构设计及抑制聚硫离子飞梭的机理研究

Lithium-sulfur battery, with high gravimetric energy density and low material cost, is a hot research topic in the energy storage area. However, the polysulfide shuttle effect, leading to low efficiency and short cycle life, severely restricts its practical application . One efficient solution is to stop the polysulfide migration with membranes. Based on this solution, a kind of composite porous ions conducting membrane was proposed in this project. This composite membrane could separate the polysulfide ions from lithium ions via both "size sieving" and "Donnan exclusion" effect, which could effectively inhibit the polysulfide shuttle. The project intends to precisely control the key parameters of the composite membrane (such as the pore size, pore structure, the density and distribution of fixed charges), to study their effect on the ions conductivity and selectivity in both electric field and concentration field. More factors, such as the membrane microstructure, membrane-electrolyte interface and ions-conduct driving force, will be further studied to clarify the selective conducting mechanism of different ions across the membrane. This project will provide new material and methodology for solving the polysulfide shuttle problem, and is therefore of great value and importance for lithium-sulfur battery development.

锂硫电池比能量高、成本低廉，是储能领域的研发热点。聚硫离子从正极迁至负极引发“飞梭效应”，导致锂硫电池库伦效率低、循环寿命短，是亟待解决的关键问题。通过电池隔膜阻断聚硫离子向负极的迁移路径，是解决该问题的有效途径。基于此，申请者提出将多孔分离膜和离子交换膜的优势互补，开发复合多孔离子传导膜的研究方案。该复合膜基于聚硫离子和锂离子的尺寸及电荷差异，结合“尺寸筛分”和“唐南排斥”双重筛分效应，实现传导锂离子、阻隔聚硫离子及抑制飞梭效应的功能。本项目通过对隔膜的孔径、孔结构、电荷密度及分布等参数进行调控，并与各种离子在电场、浓度场下的选择传导性进行全面关联，深入分析隔膜微观结构、界面性质、驱动力对离子选择传导性能的影响，进一步阐明离子在隔膜内部的传导机理。本项目的实施将为解决聚硫离子飞梭问题提供新材料和新思路，对推进锂硫电池的发展具有重要科学意义和实用价值。

随着社会的快速发展，人类对能源储存技术的需求愈发迫切。在各类储能技术中，锂离子电池凭借其高比能量的优势，在近20年内获得迅猛发展。然而，目前锂离子电池的比能量已经趋于极限，难以满足未来轻型化、大容量、长续航的电子设备、电动汽车、无人飞机等技术发展要求。开发具有更高比能量的二次电池，成为国际社会面临的共同挑战。在已报道的二次电池体系中，锂硫电池的理论比能量为2600 Wh/kg，实际比能量已超过350 Wh/kg，被认为是继锂离子电池后最接近商业化的高比能量二次电池体系。此外锂硫电池的正极活性物质（单质硫）价格低廉、来源广泛、环境友好，成为下一代储能体系最具潜力的候选者之一。进一步提高锂硫电池的能量密度和循环寿命，成为目前国际储能领域的研发热点。本项目通过隔膜研制，降低多硫化锂的飞梭效应，有效延长了电池的循环寿命。对孔结构在纳米尺度内进行调控，依据“尺寸筛分”效应开发具有较高聚硫离子阻隔性和锂离子传导性的多孔离子传导膜。并在此基础上，考察了带负电的磺酸基团引入多孔膜的孔内壁后产生的“唐南排斥”效应。本项目研究了复合多孔离子传导膜的成膜机理和调控成膜工艺，分析了隔膜微观结构、界面性质对离子选择传导性能的影响，阐释了锂离子与聚硫离子在隔膜内部的传导方式以及隔膜抑制聚硫离子飞梭的机理。项目的实施为解决聚硫离子飞梭问题提供新材料和新思路，对推进锂硫电池的发展具有一定的科学意义和实用价值。