氮化銦“豎”墻鋰電池增壽

南開大學(xué)牛志強(qiáng)、王一菁研究員聯(lián)合清華大學(xué)張強(qiáng)教授通過隔膜改性，將氮化銦納米線引入到鋰-硫電池中，雙功能的氮化銦性隔膜猶如“豎起”的高墻，有效地抑制鋰硫電池“穿梭效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)了電池循環(huán)壽命顯著提升。相關(guān)成果已在12月的《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)?納米材料》上發(fā)表。

鋰離子電池已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。然而現(xiàn)行鋰離子電池的能量密度依然不足以滿足許多應(yīng)用需求，而鋰-硫電池由于具有極高的理論比容量，并且硫含量豐富，價(jià)格低廉而備受關(guān)注。但鋰-硫電池在其在電化學(xué)過程中，在硫正極和鋰負(fù)極之間溶解的多硫化物引起的“穿梭效應(yīng)”及其動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化緩慢嚴(yán)重降低了活性硫的利用率，從而導(dǎo)致容量的快速衰，大大降低了鋰-硫電池的使用壽命。“所謂‘穿梭效應(yīng)’，指的是在充放電過程中，正極產(chǎn)生的多硫化物中間體溶解到電解液中，并穿過隔膜，向負(fù)極擴(kuò)散，與負(fù)極的金屬鋰直接發(fā)生反應(yīng)，最終造成了電池中有效物質(zhì)的不可逆損失、電池壽命的衰減、低的庫倫效率。”牛志強(qiáng)介紹，目前，人們已經(jīng)采取各種方法去改善上述問題，其中最普遍的策略是采用具有高比表面積的納米結(jié)構(gòu)碳材料，通過物理限制作用進(jìn)行多硫化鋰的捕獲；或是使用極性材料通過化學(xué)相互作用進(jìn)行多硫化鋰的捕獲。

盡管如此，但碳的非極性通常導(dǎo)致循環(huán)性能不佳，極性材料的低電導(dǎo)率導(dǎo)致硫的利用率低，倍率性能差。因此有必要開發(fā)一種簡(jiǎn)單但可以顯著提高硫正極的循環(huán)性能，同時(shí)保持良好倍率性能的有效材料制備方法，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰硫電池來說是十分重要的。“氮化銦的銦陽離子和富電子氮原子通過強(qiáng)的化學(xué)鍵合作用捕獲生成的多硫化物；同時(shí)，氮化銦表面的快速電子轉(zhuǎn)移提高了多硫化物的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化過程，這樣，雙功能的氮化銦改性隔膜猶如一道墻，可有效地抑制鋰硫電池中的‘穿梭效應(yīng)’。”牛志強(qiáng)介紹，具有氮化銦改性隔膜的鋰-硫電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，在1000次循環(huán)后每個(gè)循環(huán)的容量衰減僅有0.015％，該研究為下一步開發(fā)高穩(wěn)定性鋰-硫電池奠定了基礎(chǔ)。