工學(xué)院侯仰龍課題組在鋰硫電池研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

時(shí)間：2016-04-14 14:12  作者：  來源：工學(xué)院

　　近日，北京大學(xué)工學(xué)院侯仰龍研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩種鋰硫電池的正極材料，其一為多孔碳球包裹的Si/SiO₂復(fù)合材料，另一種為三維垂直排列的多孔碳層材料。這兩種材料均表現(xiàn)出了高充放電容量、良好的倍率性能與優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性，為鋰硫電池正極材料的設(shè)計(jì)提供了有效方法，第一篇成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（IF=17.493）上，并被選為卷首插畫（Frontispiece）（Y. Hou et al. Adv. Mater. 2016）；第二篇成果發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（IF=16.146）上（Y. Hou et al. Adv.Energy Mater.2016）。

　　在目前的儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，鋰硫電池的理論能量密度為鋰離子電池理論能量密度的五倍以上，約為2600Wh/kg，其理論容量可高達(dá)1672mAh/g，具有環(huán)境友好與低成本的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出了較高的應(yīng)用潛力，受到了廣泛關(guān)注。

　　雖然鋰硫電池具有很高的應(yīng)用價(jià)值，但由于硫的導(dǎo)電性差、充放電過程中體積變化大，尤其是形成的多硫化鋰中間產(chǎn)物，其在正負(fù)極之間的穿梭作用，會(huì)顯著降低鋰硫電池的容量與循環(huán)穩(wěn)定性，成為鋰硫電池發(fā)展中亟待解決的重要問題。侯仰龍研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的多孔碳球包裹的Si/SiO₂復(fù)合材料，使Si和SiO₂在碳化處理過程后，均勻分布在多孔碳球中，同時(shí)形成的微孔和中孔結(jié)構(gòu)，不僅提供了儲(chǔ)硫的空間，還可通過物理吸附的方式，吸附生成的多硫化物，并在物理吸附作用的基礎(chǔ)上，分布于多孔碳球中正電性的Si/SiO₂，與負(fù)電性的多硫化物陰離子之間存在強(qiáng)烈的靜電相互作用，可更加有效吸附多硫化物，提升鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。該多孔碳球包裹的Si/SiO₂復(fù)合材料作為鋰硫電池中的硫的載體，表現(xiàn)出高倍率性能與優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性，在2C的電流下，放電容量達(dá)到614mAh/g，循環(huán)500次后，容量維持在610mAh/g，每次僅衰減0.063%。

　　侯仰龍研究團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的另一種三維垂直排列的多孔碳層材料，具有豐富的空隙結(jié)構(gòu)，比表面積達(dá)1750m²/g，這種結(jié)構(gòu)不僅可使硫均勻地分布于基底材料中，并與電解質(zhì)充分接觸，還可以有效抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)，保證鋰硫電池的循環(huán)性能。該三維多孔碳層材料在837mA/g的電流下，循環(huán)300次后，容量維持在844mAh/g，容量保留達(dá)到80.3%。與此同時(shí)，該電極材料具有出色的倍率性能，在3340mA/g的電流下，容量可達(dá)738mAh/g。

　　兩篇文章第一作者均為工學(xué)院材料系2013級(jí)博士研究生Sarish Rehman，合作者包括研究員郭少軍。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年基金、面上基金等項(xiàng)目的支持。