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“全石墨烯”正極——石墨烯基材料在锂硫電池中的妙用

電化學儲能在當今人們的生産生活中占有重要地位。無論是可再生能源的大量存儲還是便攜式設備的高密度存儲,對電化學儲能器件和材料的成本、儲能密度、穩定性等指标都提出了較高的要求。由于理論比容量、比能量高,原料價廉易得,锂硫電池在未來電化學儲能領域中将極具競争力,但硫正極的低導電性、正極多硫化物的高溶解性仍是其中亟待解決的問題。為了解決硫正極存在的問題,采用碳-硫複合正極是最常見的思路之一。多孔碳材料通常有良好的導電性,其孔結構既可承載較多的硫、提高比容量,又可對多硫化物起到一定的限域作用、減少循環過程中容量的損失。

中科院沈陽金屬所李峰研究員及其合作者近日報道了一種“完全由石墨烯構成”的锂硫電池正極材料。石墨烯具有高結構穩定性、高導電性、高比表面積、高孔隙率的特點,因此是锂硫電池的一種理想的正極碳骨架材料。

在這一工作中,研究者利用了石墨烯衍生物衆多、性能多樣化的特點,靈活運用不同的制備、加工手段,得到多種具有不同性能特點的石墨烯基材料,并将其組裝為锂硫電池。電極中用到的石墨烯基材料主要有三種:高導電性石墨烯(HCG),多孔石墨烯(HPG),以及部分氧化石墨烯(POG)。

高導電性石墨烯(HCG)由液相剝離法制備得到粉體,然後抽濾并揭取,得到自支撐的HCG薄膜作為正極集流體。多孔石墨烯(HPG)和部分氧化石墨烯(POG)均由氧化-高溫剝離(還原)法制得,但工藝有所不同,從而分别具有高孔隙率和多官能團的特點。HPG粉體在155℃下負載單質硫後,置于HCG層和POG層之間作為活性物質層;而POG則經過抽濾沉積到商用聚合物隔膜上,防止多硫化物穿過隔膜向負極遷移。

由此制備得到的锂硫電池,其性能上佳,并且循環穩定性良好。HPG的孔隙率達3.51 cm3/g,因而可使硫負載量達到80 wt%,且面負載密度可達5 mg/cm2,因此半電池的首次比容量達到1500 mAh/g,相應的面密度也達到7.5 mAh/cm2,可以有效提高體積能量密度、提高空間利用率。POG中含有大量官能團,可以有效地通過化學鍵合來與多硫化物結合,從而限制了其向負極的遷移。檢測表明,經過400次循環,半電池仍能保留841 mAh/g的比容量。

正極整體由石墨烯骨架構成,因此導電性良好,這在倍率性能中也有所體現。此外,由于避免了金屬集流體的使用,電池整體呈現輕質化的特點,這在實際應用中也具有一定意義。相關研究成果在線發表于知名期刊ACSNano上。

來源:低維材料

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