超高体积比容量的柔性锂硫电池问世 剑指可穿戴领域

锂硫电池由于具有较高的能量密度而受到广泛的关注，并被认为是传统锂离子电池替代者之一。然而由于锂硫电池充放电产物（S及Li2S或Li2S2）较差的导电性，充放电过程中多硫化锂的穿梭效应，以及硫较低的密度，使制备具有高体积能量密度，长循环寿命的锂硫电池面临巨大挑战。同时，随着可穿戴设备的快速发展，制备高比容量的柔性电池也势在必行。▲ 图1. 材料制备过程复旦大学徐宇曦课题组针对上述问题制备出具有“三明治”结构的石墨烯/纳米硫/导电高分子（PEDOT:PSS）柔性致密电极材料（图1）。首先将纳米硫原位生长在氧化石墨烯（GO）表面（图1-Ⅰ），然后引入PEDOT:PSS作为功能化分散剂将GO还原得到具有“三明治”结构的石墨烯/纳米硫/导电高分子均一复合纳米片的分散液（图1-Ⅱ），最后通过抽滤自组装的方法制备柔性致密但是依然多孔的薄膜（图1-Ⅲ）。该复合电极材料具有以下优点：（1）具有优异导电性的石墨烯/导电高分子网络可以提供充足的离子/电子传输通道，与纳米硫相结合，可以显著提高活性物质的利用率，使电池具有较高的比容量及良好的倍率性能，同时可以有效地缓解充放电过程中体积变化；（2）石墨烯及导电高分子的官能团能够有效吸附多硫化锂，抑制其在充放电过程中的穿梭效应，极大的提高电池的循环寿命；（3）抽滤自组装产生的致密结构极大提高了电极活性材料的体积密度，从而使电池具有较高的体积比容量。▲ 图2 锂硫纽扣电池的电化学性能基于以上优点，以该复合材料做正极的锂硫电池在0.1C倍率下体积比容量高达1432Ah L-1，在1C充放电倍率下循环500圈，容量保持率达到80%，每圈比容量衰减速率仅为0.04%。在4C（6700 mA g-1）的充放电倍率下，放电比容量依然高达701 mAh g-1。▲ 图3. 锂硫软包电池性能基于上述结果，我们进一步提高硫的负载量并制备了锂硫软包电池。在不同折叠角度下，软包电池所展示的容量及其所点亮的二极管亮度没有明显变化，经过较长循环后容量几乎没有衰减，表明该电极材料在柔性电池当中具有很大的实际应用价值。该项工作对深入理解电极结构-性能关系和制备新型高性能柔性锂硫电极材料和器件提供了有益的视角。论文发表在期刊《Advanced Materials》上。