锂硫(Li-S)电池由于其高的理论容量(1675mAh g-1)和能量密度(2500kW kg-1), 原料储量丰富以及环境友好等特点,被视为最具有应用前景的下一代电化学储能体系之一。然而,一方面,正极硫的绝缘性,较大的体积变化和多硫化锂的穿梭效应等问题,导致硫利用率不高和循环稳定性差;另一方面,负极锂在电化学循环过程中的低的库伦效率和不可避免的枝晶生长,导致了电池耐用性低和严重的安全问题。针对多硫化物的“穿梭效应”,一种有效的策略是用与多硫化物具有相互作用的材料对电池隔膜进行功能化改性处理。然而,这些功能化隔膜存在以下问题:①难以同步解决锂负极的问题;②大量的非活性物质引入较大程度降低电池的能量密度;③制备工艺复杂,难以实现批量制备,不利于实际应用。
鉴于此,华中科技大学武汉光电国家研究中心能源光电子功能实验室孙永明教授课题组利用简单的气相聚合方法将导电聚合物聚吡咯(PPy)引入到商业化Celgard隔膜表面来制备功能化隔膜(PPy/Celgard),同时实现对正极/隔膜和负极/隔膜的界面的改善。这种功能化的PPy/Celgard隔膜一方面能保证锂离子均匀流动,从而实现了锂负极上金属锂均匀的沉积和脱出,另一方面也能够有效的锚定多硫化锂,抑制多硫化锂穿梭效应。值得注意的是,引入的PPy功能化层的重量和厚度分别仅为~0.13 mg cm-2和~60 nm,远远低于大多数文献所报道的数值,有利于保证Li-S电池的能量密度优势。这种PPy/Celgard隔膜使得金属锂对称电池能够在电流密度为1 mA cm-2,每次循环面积容量为3 mAh cm-2的条件下稳定循环250小时以上,过电位小于30mV。同时使用PPy/Celgard隔膜后,采用简单的碳纳米纤维/硫(CNF/S)复合物为正极(硫负载量5.73 mg cm-2)的Li-S电池在0.2 C下循环100圈后仍保持3.6 mAh cm-2的高面积容量,容量保持率为75.6%。该工作所提出的“设计轻量、超薄的导电聚合物功能层来构筑稳定电极/隔膜界面”这一策略为推动高比能Li-S电池的研发提供了新思路。
2019年5月10日,其研究成果“Engineering stable electrode-separator interfaces with ultrathin conductive polymer layer for practical high-energy-density Li-S batteries“在线发表在能源类知名期刊Energy Storage Materials上 (https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.05.005) 。18级博士生李元建为该论文第一作者,孙永明教授为通讯作者。
图 功能化PPy/Celgard隔膜截面示意图及使用该隔膜的Li-S电池性能