近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張躍鋼課題組自主研發(fā)設計了原位掃描/透射電鏡電化學芯片，實現(xiàn)了其對硫化鋰電極充電過程的實時觀測；在充分理解Li2S充放電機理的基礎上設計了高氮摻雜石墨烯負載硫化鋰材料作為電池正極，并通過控制充電容量和電壓，顯著提升了 Li2S的容量利用率及循環(huán)壽命，相關成果發(fā)表在Advanced Energy Materials雜志上。

 

　　隨著社會和科技的發(fā)展，人類對電化學儲能技術的需求日益增加，新興儲能系統(tǒng)——鋰硫電池具有理論容量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，備受國內外研究者的關注。而研發(fā)高容量鋰硫電池正極材料，對推動新能源動力汽車、便攜式電子設備等領域的發(fā)展至關重要。

 

　　硫化鋰（Li2S）材料理論容量高達1166 mA h g-1，是其它過渡金屬氧化物和磷酸鹽的數(shù)倍；其首次脫鋰充電過程中所發(fā)生的體積收縮能給后續(xù)的嵌鋰放電反應提供空間，保護了電極結構不受破壞；其可與非鋰金屬負極材料（諸如硅、錫等）組裝電池，有效避免鋰枝晶形成等問題所帶來的安全隱患，是極具發(fā)展?jié)摿Φ匿嚵螂姵卣龢O材料。然而，該材料電子／離子導電率低，反應中間產物多硫化物在電解液中的溶解引發(fā)穿梭效應等問題，限制了其在鋰硫電池中的實際應用。

 

　　研究人員為提高鋰硫電池的容量利用率和循環(huán)壽命，通常會將硫填充至具有高比表面積和高導電性的多孔材料中（如：碳納米管，多孔碳，石墨烯和碳纖維等）。張躍鋼課題組在前期研究工作中發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯上引入氮摻雜官能團，不僅可以有效減少多硫化物在電解液中的溶解，而且可優(yōu)化多硫化物在沉積過程中的分布（Nano Letters，2014, 14, 4821？4827）。為了更好地改善Li2S的容量利用率以及循環(huán)壽命，該團隊利用原位表征技術研究了Li2S溶解和再沉積機理，進而提出將最初活化電池電壓調控到3.8 V，然后通過控制電壓（1.7~2.4 V）和充電容量可有效阻止長鏈可溶性多硫化物的形成，該充放電調控方法讓電極在充電過程中保留了一部分不可溶的Li2S作為種子，使得Li2S材料能夠有效地活化和均勻地再沉積。此外，該研究通過在氮化處理前的氧化石墨烯表面包覆葡萄糖，有效增加了石墨烯的折皺率和彎曲率，進而為多硫化物提供了更多的負載位點；反應過程中利用氨水和高溫氨氣熱處理的方法使得氮摻雜量提高至12.2%；該高氮摻雜石墨烯材料不僅具有高導電性，其表面氮官能團更能有效減少多硫化物的溶解，優(yōu)化Li2S的均勻分布。利用該高氮摻雜石墨烯－Li2S復合正極材料所制備的鋰硫電池在2000圈（1C）循環(huán)后其容量仍能保持318 mA h g-1（按硫元素重量折算為457 mA h g-1），3000圈（2C）循環(huán)后仍能保持256 mA h g-1（按硫元素重量折算為368 mA h g-1），是迄今為止所報道的最長循環(huán)壽命。

 

　　該研究工作首次利用了新開發(fā)的原位掃描電鏡和原位透射電鏡芯片技術實現(xiàn)了對硫化鋰電極充電過程的實時觀測，并在研究 Li2S充放電機理的基礎上，開發(fā)新的電壓－容量調控機制，設計了一種新型的高氮摻雜負載硫化鋰的電極材料，為高能量的Li2S-C /Li電池的應用打開了廣闊的應用前景。

 

　　該項研究工作得到了國家自然科學基金重點項目、中國科學院千人計劃人才專項的大力支持。

 

　　負載于單層石墨烯電極表面的Li2S材料在LiTFSI-DOL/DME電解液中活化過程的原位觀測SEM圖