锂硫电池载体选择--结构

锂硫电池载体选择锂硫电池载体选择 结构结构 双人鱼 上期我们说到 为了能够充分的利用锂硫电池中的活性物质 我们需要使上期我们说到 为了能够充分的利用锂硫电池中的活性物质 我们需要使 用一个兼具极性和导电性的载体 用一个兼具极性和导电性的载体 一方面极性的表面极性的表面能够更加有效的锚定多硫 化物 抑制其溶解扩散 另一方面导电载体导电载体实现电子的快速传递 增强电池电 化学反应的动力学能 两者的有效结合能够更加有益于电池性能的提高 这一期 我们主要介绍电极的微观结构对电池性能的影响 这一期 我们主要介绍电极的微观结构对电池性能的影响 我们知道 锂硫电池充放电过程是锂硫电池充放电过程是 Li 和和 S 氧化还原的多步过程 在氧化还原的多步过程 在 2 4V 的放电平台时 的放电平台时 S 得到电子变成高聚态的多硫阴离子得到电子变成高聚态的多硫阴离子 Sn2 4 n 8 这个高聚 这个高聚 态的多硫化物极易溶于有机电解液中 在态的多硫化物极易溶于有机电解液中 在 2 1V 的放电平台时 可溶的高聚态的放电平台时 可溶的高聚态 多硫化物继续得到电子形成不可溶的沉淀多硫化物继续得到电子形成不可溶的沉淀 Li2S 或或 Li2S2 充电过程则是 Li2S 或 Li2S2失去电子形成单质 S8 然而充放电最终产物 S8和 Li2S Li2S2属于电化学绝 缘的固体沉淀 附着在电极表面会影响电子的传递 进而影响电池性能 且两 者密度存在较大差异 会造成约 80 的体积膨胀 收缩 在充放电过程中可能 会引起电极结构的破坏 因此锂硫电池载体结构的设计对电池性能具有重要的 影响 劳伦斯伯克利国家实验室劳伦斯伯克利国家实验室 Gao Liu 组指出 锂硫电池不能实现高倍率高负组指出 锂硫电池不能实现高倍率高负 载的充放电是因为充放电过程中形成的充放电产物沉积在载体表面 堵塞了离载的充放电是因为充放电过程中形成的充放电产物沉积在载体表面 堵塞了离 子传输通道 且产物为电化学绝缘 因此造成放电过程提前结束 不能有效的子传输通道 且产物为电化学绝缘 因此造成放电过程提前结束 不能有效的 利用活性物质 利用活性物质 所以 Liu 组受大自然中蚁穴结构的激发 通过简单的三步法 设计了类似于蚁穴结构的含有多通道 大小孔结构的载体材料 应用于锂硫电 池材料中 实现锂硫电池高负载和高倍率放电 图 1 蚁穴结构的载体材料示意图 这种蚁穴结构的载体主要存在以下几方面特点 载体采用载体采用 CNT 做骨架 做骨架 具有良好的导电性 可以实现电子的快速传输 具有良好的导电性 可以实现电子的快速传输 载体中含有三维交织的通道载体中含有三维交织的通道 以及大孔和纳米孔 以及大孔和纳米孔 其中通道和孔结构的存在可以增加载体的比表面积 提高 活性物种的负载和反应位点 同时这些通道和孔结构也为电解液和 Li 离子的进 入提供通道 实现活性物质的电化学反应及物质交换 其中大孔的存在提供了 充放电过程中电化学反应腔 小孔的存在连接大孔 一方面实现活性物质和电 子的传输 充分利用 CNT 的比表面积 另一方面可以在一定程度上缓解充放电 过程中由于体积膨胀造成的结构变化 载体材料中使用的粘合剂是导电的含载体材料中使用的粘合剂是导电的含 有官能团的粘合剂 它的导电性增强了载体与活性物质之间的电子传输 所含有官能团的粘合剂 它的导电性增强了载体与活性物质之间的电子传输 所含 的官能团可以锚定多硫化物 抑制其溶解扩散 的官能团可以锚定多硫化物 抑制其溶解扩散 这种蚁穴结构的载体材料具这种蚁穴结构的载体材料具 有良好的机械性能 能够抵抗充放电过程中活性物质体积的变化 有良好的机械性能 能够抵抗充放电过程中活性物质体积的变化 所以综合多 方面优势 提高锂硫电池电化学性能 图 2 蚁穴结构载体充放电过程示意图 上文中我们说到充放电产物会沉积在载体表面堵塞离子通道 从而造成放 电过程提前结束 而在蚁穴结构的载体材料中 大孔是电化学反应的反应腔 而在蚁穴结构的载体材料中 大孔是电化学反应的反应腔 反应在孔中进行 沉淀产物沉积在孔的内表面而非载体材料的外表面 反应在孔中进行 沉淀产物沉积在孔的内表面而非载体材料的外表面 因此不 会阻塞离子传输通道 可以有效的利用活性物质 并且 放电产物并且 放电产物 Li2S 的沉积的沉积 是以面条状的是以面条状的 3D 形式沉淀而非形式沉淀而非 2D 的层沉淀 因此也就增加了的层沉淀 因此也就增加了 Li2S 的沉淀位的沉淀位 点 点 如上图 2 结合蚁穴结构载体的多方面优势 将其应用于锂硫电池中 能够实现单质 S 的高负载 85wt 及较为理想的电化学性能 如图 3 图 3 蚁穴结构载体的锂硫电池电化学性能表征 笔者的话 Liu 老师组受自然界蚁穴的启发 得到类似于蚁穴结构的载体 材料 通过控制载体的结构实现对锂硫电池性能的提升 由此可见载体材料的 结构对电池性能的影响有着不可忽视的作用 目前在锂硫电池载体材料的很多目前在锂硫电池载体材料的很多 研究中 也是通过控制不同材料的结构 实现对流硫电池性能的提升 研究中 也是通过控制不同材料的结构 实现对流硫电池性能的提升 由此可 见载体材料结构的重要性 参考文献 Ai G Dai Y Mao W et al Biomime