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Advanced Science:利用重质和高催化活性的金属氧化物构筑锂-硫电池用高体积能量密度的硫正极

锂-硫电池的理论能量密度高达2600 Wh kg-1或者2800 Wh L-1,有望成为下一代的储能系统。目前,软包锂-硫电池的重量能量密度可达300~600 Wh kg-1,已成功超越商用锂离子电池(~250 Wh kg-1),并且在无人机等领域开始初步应用。然而,相比于出色的重量能量密度,锂-硫电池的体积能量密度却始终不理想,明显低于商业化锂离子电池的体积能量密度,严重限制了锂-硫电池在诸多领域的应用。

为提高锂-硫电池的体积能量密度,在线赌钱真人游戏高学平课题组提出了构建硫电极的“三高”原则,即硫复合材料的高硫含量、硫电极的高硫载量和载体材料的高密度,以此提升硫电极的体积能量密度。基于该策略,可以构筑高密度且优良电化学活性的电极,相应硫电极的体积能量密度可与商用的锂离子电池嵌入式正极相竞争。该研究成果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201903693)上,第一作者为在线赌钱真人游戏博士研究生刘亚涛,通讯作者为在线赌钱真人游戏高学平研究员。

为验证该策略,该研究团队引入了具有钙钛矿结构的La0.8Sr0.2MnO3作为硫的载体材料。研究显示,制备的La0.8Sr0.2MnO3呈纳米纤维的形貌,具有较高的比表面积和良好的导电特性,可在硫电极中形成三维的导电网络,能满足硫复合材料的高硫含量(大于70 wt%)和硫电极的高硫面负载量(大于4 mg cm-2)的要求。同时,这种La0.8Sr0.2MnO3真密度高达6.5 g cm-3,振实密度达2.59 g cm-3,可满足载体材料的高密度要求。此外,La0.8Sr0.2MnO3纳米纤维表现出优异的电催化活性,可加快扩散、吸附和电荷转移过程,促进多硫化物的转化与反应。因此,S/La0.8Sr0.2MnO3电极可以同时实现致密化和高电化学活性,因而表现出较高的放电比容量和出色的循环性能。在此基础上,该研究团队还研究了通过施加压力来调控硫电极的密度和孔隙率,从而进一步提高电极的体积能量密度。通过简单优化,这种压制后的S/La0.8Sr0.2MnO3电极密度可提高至1.69 g cm-3,能提供2727 Wh L-1的高体积能密度,可与商业化锂离子电池嵌入型氧化物正极材料相竞争。此外,这种高密度、低孔隙的硫正极设计有助于减少电解液的用量,进而提升电池重量能量密度。

基于重质和高催化活性的基质材料构建致密硫电极是一种新的尝试,将有助于兼顾锂-硫电池的重量和体积能量密度,为电池的未来实际应用奠定基础。