南工大新方法讓鋰硫電池高溫下也能正常工作

  鋰硫電池(Li-S)具有能量密度高、成本低、綠色環保等突出優點,但也存在著諸多困難,比如硫的電子電導率低,反應過程中的穿梭效應引起容量損失,以及由于不耐高溫,在高溫環境下會導致電池的容量衰減、電池無法正常工作。為了克服這些困難,南京工業大學付麗君教授和吳宇平教授課題組提出利用硫化聚丙烯腈復合材料(SPAN)作為工作電極,結合實驗室長期研制的凝膠聚合物電解質,協同提升鋰硫電池的電化學性能,尤其是高溫下的電化學性能,并對其循環過程中的反應機理進行了探討。日前,該成果發表在Cell期刊旗下的iscience上。

  據悉,硫化聚丙烯腈復合物(SPAN)是硫粉和聚丙烯腈混合均勻后煅燒得到的,這種材料有利于提高鋰硫電池的循環穩定性。“硫化聚丙烯腈復合物電極與商業化隔膜(pp膜)組裝的扣式電池,雖然在常溫條件下具有優秀的電化學性能,然而隨著溫度的升高,電極穩定性明顯降低,無法在高溫環境中正常使用。” 付麗君教授介紹,pp膜,也即聚丙烯膜,是一種廣泛商業化運用的隔膜,主要作用是阻隔電子通過,讓離子通過。但是其長循環過程中,會有內部短路的情況,造成危險;另外在鋰硫電池中也無法阻隔多硫化鋰的通過,導致容量損失和循環性能、安全性能不佳。“我們在研究中發現,使用我們實驗室長期研制的一種凝膠聚合物膜來替換pp膜,能夠提升材料的高溫性能,電極的電化學性能在常溫、50℃和60℃條件下都優于商業化PP膜。這拓寬了電子器件的使用范圍。另外凝膠聚合物膜具有更好的安全性能。”付教授表示。

  “我們實驗室做的凝膠聚合物隔膜成本低廉,工藝簡單,易于大規模合成,非常適合大規模工業化生產。”論文第一作者、南京工業大學碩士研究生劉宇說,“另外,凝膠聚合物隔膜在浸潤電解液之后形成凝膠聚合物電解質的準固態體系,不僅能具有pp膜的作用,還能夠阻擋多硫化鋰通過電解質到達負極,保護負極。從而提升電池的安全性和穩定性。”

  而之所以新方法能耐高溫,劉宇解釋說,商用化的pp膜的內部有少量液體(電解液),在高溫環境下不利于電解液的穩定,“而我們的準固態電解質能很好的避免這個問題,在高溫條件下比較穩定——因為凝膠膜吸收電解液凝膠化,就像果凍一樣,這樣就不會存在液體了。另外,溫度越高,離子傳輸速度加快,多硫化物通過隔膜越容易。我們的隔膜幾乎不受溫度影響,這種凝膠化結構也能夠很好地避免多硫化鋰的通過,保護了負極。”


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