鋰硫電池被認(rèn)為是最具潛力的下一代高能量電池體系之一,但其也有致命缺陷。

鋰硫電池在充放電過(guò)程中，產(chǎn)生的聚硫化物能溶解于電解液中，隨電解液“游”到負(fù)極，與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)(即所謂的“穿梭效應(yīng)”)。這一“穿梭效應(yīng)”使得鋰硫電池在充放電過(guò)程中，外部放電，內(nèi)部也跟著“耗電”，導(dǎo)致鋰硫電池的壽命遠(yuǎn)不及鋰離子電池。

近年來(lái)，新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)電池的要求也越來(lái)越高。但現(xiàn)階段商用的鋰離子電池能量密度較低、“升級(jí)版”的鋰硫電池容易自我“耗電”，這些都制約著電動(dòng)汽車和便攜式電子產(chǎn)品等的續(xù)航能力，目前已成為行業(yè)“瓶頸”。在這種情況下，如何制備高性能電池成為行業(yè)研究的重點(diǎn)。

為此科學(xué)家們嘗試用各種方式把正極產(chǎn)物固定在正極內(nèi)部，以減少穿梭效應(yīng)的發(fā)生。

造電池和造房子一樣，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定很重要。什么材料可以穩(wěn)定“結(jié)構(gòu)”呢?

能源圈(Oneneng_club)從中科院青島生物能源與過(guò)程研究所了解到，該所先進(jìn)儲(chǔ)能材料與技術(shù)研究組團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)下一代高能鋰離子電池及其配套電解液和黏結(jié)劑的研究，從木頭中找到靈感，用可再生木質(zhì)素纖維打造“鋼筋混凝土”般的電池，目前已成功制備出高性能鋰硫電池。

木質(zhì)素是植物體中主要成分，是三種苯丙烷單元通過(guò)醚鍵和碳碳鍵相互連接形成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的生物高分子，存在于木質(zhì)組織中。在木本植物中，木質(zhì)素占25%，是世界上第二位最豐富的有機(jī)物，人們相對(duì)更熟悉的纖維素則是第一位。

木質(zhì)素纖維就是通過(guò)對(duì)天然的木材經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)處理，得到的一種含有木質(zhì)素的有機(jī)纖維。木質(zhì)素纖維具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染，屬于純綠色環(huán)保的產(chǎn)品，可用于各種材料中充當(dāng)穩(wěn)定抗裂劑。

受此啟發(fā)，中科院青島能源所先進(jìn)儲(chǔ)能材料與技術(shù)研究組的研究人員，將木質(zhì)素纖維充當(dāng)鋰硫電池正極材料的骨架，并與碳納米管、石墨烯共同組建了一種類似“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)的鋰硫正極材料，該正極材料有較強(qiáng)的柔韌性可以隨意折疊彎曲，如圖1所示。

                                                                                                               “類鋼筋混凝土”柔性載硫體極片制備示意圖

由于木質(zhì)素分子內(nèi)部含有大量的羥基(-OH)，能夠有效的與鋰硫電池正極中間產(chǎn)物中的Li+產(chǎn)生類似氫鍵(-HO…H)的鋰鍵相互作用(-HO…Li)。正是這種相互作用，使木質(zhì)素纖維能夠很好的捕獲游離在電解液中的硫化物，讓它老老實(shí)實(shí)的待在正極。因此，木質(zhì)素纖維充當(dāng)“鋼筋”，既能穩(wěn)固正極片結(jié)構(gòu)，同時(shí)又能有效地吸附正極反應(yīng)產(chǎn)生的硫化物。

此外，為了使電子能夠更加快速的傳輸?shù)戒嚵螂姵氐恼龢O，研究人員在該柔性極片底部增加一層石墨烯薄膜，從而實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的快速充放電的目的。

基于以上思路，該研究組制備出高性能鋰硫電池，其放電容量可接近鋰硫電池的理論容量，遠(yuǎn)高于相關(guān)報(bào)道的容量;同時(shí)該電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，500圈后容量保持率高達(dá)86.5%。即使在9.2 mg cm-2高載硫量下(更高的載硫代表更高的能量密度)，該柔性極片通過(guò)雙層疊加的方式，使得鋰硫電池依舊保持優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

該方法具有簡(jiǎn)單、易操作，制作成本低等諸多優(yōu)勢(shì)，非常適合大規(guī)模推廣。該工作對(duì)提高鋰硫電池硫利用率和循環(huán)壽命提供了一種新的思路。