基于多硫化物扩散行为的锂硫电池正极材料设计与制备

Li-S battery system is with the theoretical energy density of 2600 Wh/kg. In addition, the use of element sulfur cathode show advantages in low cost, high natural abundance compared with traditional battery cathodes. Therefore, Li-S battery system is one promising candidate for the next generation of power source for electronic vehicle and portable electronic devices. However, the practical application of Li-S system still facing challenge in fast degradation, which was mainly caused by the "shuttle effect" induced by the generation and diffusion of polysulfides, an intermediate product in the electrochemical process. Up to now, the knowledge on the diffusion behavior of polysulfides is still rudimentary, which prevents the precisely design for the structure of cathode materials. In the present project, the relationship between the diffusion behavior of polysulfides and the structure of cathode materials or barrier layers during the electrochemical process will be analyzed by visible electrochemical cells and in situ Raman system. Based on the diffusion behavior, the optimized structure of cathode materials will be designed and fabricated with carbon nanomaterials as building blocks and suitable barrier layer materials. Therefore, new-type of cathode with three dimentional conducting network, proper pore structure, and robust mechanical properties will be built to improve the performance in energy density and cycle stability, as well. This project can provide insight on the design of cathodes for Li-S batteries, and may also shed a light on other battery systems.

锂硫电池系统具有能量密度高，环境友好、原料廉价易得等特点，有望在动力汽车及个人电子设备等领域成为下一代高能电池系统。目前锂硫电池的实用化仍面临硫电极性能衰减过快的问题，而多硫化物作为电化学过程中间产物在正负极间扩散带来的"飞梭效应"是性能衰减的主因之一。 目前，多硫化物扩散行为仍缺乏深入的研究和理解，正极材料缺乏相应的精确结构设计。本课题以多硫化物在正极材料中的扩散为核心，计划通过原位拉曼及可视化过程研究多硫化物扩散行为与正极材料结构及表面性质、多硫化物扩散阻挡层结构间的关联。在此基础上，设计对多硫化物扩散具有限域作用的电极材料结构，并以高比表面积碳纳米材料为结构单元进行正极材料的可控制备。计划开发具有三维导电网络结构、合理孔结构、强韧力学性能等特点，且对多硫化物具有限域作用的高比能量、高循环稳定性锂硫电池正极材料。

随着社会的发展，各类电子设备和电动汽车等应用对电池性能的要求不断提高。锂硫电池是一种具有高理论能量密度的电池系统，其理论能量密度2600 Wh/kg，为现有锂离子电池的3-5倍，有望替代锂离子电池作为下一代储能系统得到应用。然而，在实用化过程中，锂硫电池面临正极活性材料电导率低，中间产物多硫化物迁移导致副反应“迁移效应”等挑战，导致电池容量快速衰减，系统库伦效率较低。深入理解锂硫电池的反应机制，进而设计制备锂硫电池核心材料，提升电池性能是锂硫电池实用化过程中的重要挑战。. 本项目针对锂硫电池面临的挑战，主要开展了三方面的工作：.1. 针对锂硫电池中间产物穿梭扩散导致效率低的问题，利用原位可视化及电化学手段研究了多硫化物扩散机制及其导致自放电的现象和抑制方法；并提出选择性隔膜提高降低副反应的策略，将锂硫电池库伦效率提高到95%以上；通过发展带有导电功能层的隔膜技术，实现了正极界面含硫组分的回收利用，提升了电池的循环稳定性。.2. 针对正极导电性差，硫利用率低的问题，发展了一系列石墨类复合碳材料，利用导电基元的结构设计和元素掺杂，实现了活性硫材料的高效利用以及中间产物的有效吸附；同时利用超长碳纳米管作为导电骨架实现活性基元材料的高效组装，获得了高硫载量，高容量的锂硫电池正极材料。.3. 针对实用锂硫电池所需高载硫、低电解液的需求，研究了锂硫电池中电解液量、组分对电池稳定性的影响，设计并制备了锂硫软包电池，实现了软包尺度上锂硫电池关键材料的验证。. 相关研究深入理解了锂硫电池反应中间产物的扩散机制，并基于此设计了一系列核心材料。基于本项目的研究成果，已在Adv Mater, ACS Nano, Energy Environ Sci, Nano Lett等国内外期刊上发表SCI 论文30篇（其中一作及通讯作者论文15篇），总他引近1000次。受邀Energy Storage Materials撰写锂硫电池隔膜领域综述一篇，受到广泛关注。