中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鋰硫電池由于具有理論容量高(1675 mA h g-1)、能量密度大(2600 Wh kg-1)、硫資源豐富等特點(diǎn)，被廣泛地認(rèn)為是未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的方向。其正極材料的孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于提高電解液滲透速率和載量硫、抑制多硫化物（LiPS）穿梭效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)具有高能量密度的Li-S電池的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。
近日，大連理工大學(xué)膜科學(xué)與技術(shù)團(tuán)隊(duì)賀高紅教授、李祥村副教授提出相轉(zhuǎn)化法可放大制備具有柔性的三層結(jié)構(gòu)多孔C/SiO2膜。作為一種多功能且無(wú)金屬集流體的正極，C/SiO2膜的分級(jí)大孔可以作為理想的硫載體，以減輕硫的體積膨脹效應(yīng)。此外，互連的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以加快電子傳輸，提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。嵌入的極性納米SiO2顆粒對(duì)LiPS具有很強(qiáng)的化學(xué)吸附能力，有效地消除了穿梭效應(yīng)。C/SiO2膜正極中的硫含量可達(dá)2.8mg cm-2，面容量達(dá)1.6mAh cm-2（ACS Nano,2019, 135, 5900），拓展制備不同功能顆粒改性的復(fù)合膜材料，提高LiPS的化學(xué)吸附能力，抑制穿梭效應(yīng)，提高電池循環(huán)穩(wěn)定性（Chem. Eng. J., 2019.122858）。
圖1. (a)相轉(zhuǎn)化法制備具有有序多孔結(jié)構(gòu)的一體化膜電極材料，(b, c)膜電極材料具有高載硫性能（> 3 mg cm-2）, (d, e)載硫膜電極可以直接用作鋰硫電池正極，和傳統(tǒng)方法相比，節(jié)省了Al箔、導(dǎo)電碳粉末、粘結(jié)劑，從而有效提高了電池的能量密度，(f)電極膜孔的有序通道極大提高了離子在膜電極內(nèi)的傳遞速率。
進(jìn)一步在相轉(zhuǎn)化過程中加入Fe3+，加速溶劑\非溶劑相分離，誘導(dǎo)膜孔的有序化排列，提高離子在電極膜內(nèi)的傳遞速率（Chem. Eng. J., 2019, 368, 310），提高鋰硫電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，研究結(jié)果以封面形式發(fā)表（J. Mater. Chem. A，2019，7, 20614）。
圖2.膜孔有序化排列，提高離子在電極膜內(nèi)的傳遞速率，提高鋰硫電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性（兩個(gè)紐扣電池串聯(lián)，點(diǎn)亮> 40 LED燈，> 2h）
為提高膜電極內(nèi)電池內(nèi)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率，在多孔空心碳球的限域反應(yīng)器中合成Pt@Ni核殼材料，雙金屬不僅通過降低反應(yīng)能壘，加速電子轉(zhuǎn)移從而促進(jìn)硫化鋰分解轉(zhuǎn)化，還增強(qiáng)了對(duì)多硫化物的親和吸附作用，實(shí)現(xiàn)了具有高容量和循環(huán)穩(wěn)定性的鋰硫電池。同時(shí)該研究還深入探究了雙金屬在鋰硫電池中的協(xié)同機(jī)理，并提供了相關(guān)的證明，為今后電催化在鋰硫電池中的應(yīng)用發(fā)展提供了借鑒，內(nèi)容以內(nèi)封面的形式發(fā)表（Small2019, 15, 1902431）。以上研究被邀請(qǐng)撰寫關(guān)于電極材料制備及儲(chǔ)能領(lǐng)域的綜述性論文（Small2019, 15, 1804737）。
圖3.鉑鎳合金催化劑吸附性能及催化機(jī)理分析。(a)鉑鎳合金催化劑與多硫化物相互作用的DFT分子模擬；(b)基于DFT計(jì)算的催化劑與多硫化物間吸附能；(c)鉑鎳合金催化硫化鋰分解的機(jī)理示意圖；(d)基于分子前線軌道理論計(jì)算純金屬鉑、鎳及鉑鎳合金與反應(yīng)物的HOMO-LUMO反應(yīng)能壘差；(e)硫化鋰在鉑鎳合金催化劑上的分解能壘。
