锂硫电池(Li-S)由于其高的理论比容量(1675mAh/g)和比能量(2600Wh/kg)，成为了最具潜力的储能设备之一;且硫具有储量丰富、价格低廉、环境友好、生物相容性高、毒性低等优势。然而，实现商用化仍面临几个挑战：硫单质的绝缘性、正极材料显著的体积膨胀以及反应过程中多硫化锂(LiPSs)中间产物在电解液中的溶解问题。后者不仅导致了硫单质的利用率低，而且造成多硫化锂在电池两极之间的“穿梭”，这导致电池的库伦效率低、严重的自放电和快速的容量衰减。
为了解决上述问题，许多的导电物质被用来限制和容纳多硫化锂中间产物，但是当提高电池的载硫面密度(ASLs)时，更多的多硫化锂在电解液中持续不断的产生和累积，使得这些方法对其性能的提升并不尽人意。同时，由于离子在正极平面垂直方向的扩散距离增大，导致离子在电解液中的扩散更加困难。因此，设计开发一种不仅能够促进LiPSs有效转化而且能够离子传输效率的新颖电极结构是最有益的方式。由于铝(Al)具有优异的电子传输性能以及成熟的制造基础，铝箔也通常用作锂离子电池和锂硫电池的正极集流体。然而，铝箔只能增强电子在二维平面的传输能力。因此，探索在锂硫电池中使用铝或其合金是否可以增强正极垂直方向的电子传输能力是非常有意义的。
【成果简介】
近日，温州大学聂华贵教授、杨植教授和黄少铭教授(共同通讯作者)相关论文“3DCNTs/Graphene‐S‐Al3Ni2CathodesforHigh-Sulfur-LoadingandLong-LifeLithium-SulfurBatteries”发表在能源期刊AdvancedScience上。第一作者郭泽青。研究人员设计了由碳纳米管(CNT)、石墨烯(Gra)、硫(S)以及Al3Ni2(即CNTs/Gra-S-Al3Ni2)结合组成的3D网络结构的Li-S电池正极材料。可以预见的是，3DCNTs/Gra网络和Al3Ni2中Al的引入将为快速的电子和离子转移提供有效的通道，尤其是极片的垂直方向。Al3Ni2中的Ni也能够通过提高LiPSs转化反应的速率来快速消除累积的LiPSs。由于上述优点，优化的电极在0.2C下获得了更高的初始放电容量(1401mAh/g)，同时，当电极在1C下循环800圈后，仍然有496mAh/g的可逆容量，每圈的平均衰减率仅有0.055%。将ASLs增加至3.30mg/cm^2时，电极在2.76mA/cm^2的电流密度下循环200圈后维持622mAh/g的高放电容量，以及85.9%的高容量保留率。出色的放电性能表明该设计为开发长寿命和高载硫量锂硫电池提供了有前景的途径。
图1.a)三电极测试装置示意图;电极经过三电极测试循环后的照片b)CNTs/Gra/Al3Ni2和c)CNTs/Gra;d)LiPSs溶液以及经过三电极测试后的CNTs/Gra/Al3Ni2和CNTs/Gra电极溶液的紫外曲线。
图2.a,b)CNTs/Gra/Al3Ni2电极在经过10圈的三电极测试后(CNTs/Gra/Al3Ni2-10cyc)的低倍和高倍SEM图;c)CNTs/Gra/Al3Ni2-10cyc电极的TEM图;d)CNTs/Gra/Al3Ni2-10cyc电极的STEM图和对应的元素扫描图。
图3.a)CNTs/Gra-S-Al3Ni2电极前四圈CV曲线图;b)三种电极的第二圈CV曲线对比图;c)CNTs/Gra-S-Al3Ni2电极中不同Al3Ni2含量的电极倍率对比图;d)CNTs/Gra-S-Al3Ni2、CNTs–S、CNTs/Gra-S电极在载硫面密度为0.8mg/cm^2时的倍率性能对比图;e)CNTs/Gra-S-Al3Ni2电极在不同倍率下的充放电平台曲线图;f)CNTs/Gra-S-Al3Ni2、CNTs–S、CNTs/Gra-S电极在0.2C下的充放电平台对比图。
图4.a)三种电池的电化学阻抗对比图;b)CNTs/Gra-S-Al3Ni2和c)CNTs/Gra-S电极的电化学阻抗拟合前后对比图以及相应的电路图;d)CNTs/Gra-S-Al3Ni2e)CNTs/Gra-S和f)CNTs-S电极在1C下循环前后的阻抗对比图。
图5.a)CNTs-S、CNTs/Gra-S、CNTs/Gra-S-Al3Ni2电极在1C下的长循环稳定性对比图;b)CNTs/Gra-S-Al3Ni2电极在载硫面密度为3.30mg/cm^2,电流密度为2.76mA/cm^2时的循环性能图;c)串联的三个CNT/Gra-S-Al3Ni2电池的数码照片可以点亮2835个LED模块(额定电压12V和额定功率3W)的51个绿色指示灯。
图6.H型电解池CV测试示意图：a)CNTs/Gra/Al3Ni2和b)CNTs/Gra电极测试前和循环150圈后的电解液变化对比图。
【总结与展望】
研究人员成功地设计和制造了具有3D网络结构的CNTs/Gra-S-Al3Ni2正极，并且该正极显示出优异的循环稳定性和高容量保留率。电池在1C下循环800圈后仍然保持着496mAh/g的可逆容量以及0.055%的超低容量衰减率。同时，正极载硫量为3.30mg/cm^2时，在较高电流密度(2.86mA/cm^2)下经过200次循环后，显示出高的可逆面容量2.05mAh/cm^2(622mAh/g)，以及高达85.9%的容量保持率。H型模拟电解池试验证实了Al3Ni2加快多硫化锂转换反应的能力，从而抑制了电池运行过程中的穿梭效应。这种CNTs/Gra-S-Al3Ni2正极的优异性能归因于其3D网络结构和Al3Ni2的引入，Al3Ni2为快速电子和离子转移提供了高效通道，尤其是沿着正极平面的垂直方向。用Al3Ni2获得的这些令人鼓舞的结果展现了开发高能量密度和长循环寿命锂硫电池的可能性。
