高储锂胶囊状Li-S复合材料

引      言

锂-硫(Li-S)电池由于极高的理论能量密度(2600Whkg^-1)，因而在电动车领域备受关注。然而，目前Li-S电池仍有一些电池本质性问题亟解决。首先，硫电极以及充放电过程中产生的硫化物导电性较差，由此需要加入大量的导电剂；中间多硫化物的“穿梭效应”降低了库仑效率并导致硫正极循环稳定性变差；在锂化/脱锂过程中较大的体积变化导致电极结构不稳定和循环寿命缩短。

成果简介

鉴于此，美国俄勒冈州立大学的纪秀磊教授和阿贡国家实验室的Khalil Amine教授等人报道了一种一步法合成的Li₂S/石墨烯纳米胶囊结构材料。在此方法中，将Li箔在氩气携带的CS₂蒸汽中燃烧，由此产生Li₂S纳米晶体和石墨烯层，并且这些石墨烯层会包覆在Li₂S晶体上(Li₂S@石墨烯)。所获材料直接用于表征和电化学测量，材料本身不仅结构独特，具有较好的结构完整性，良好的导电性，较低的活化势垒并且电化学性能优异。

图1. Li₂S@石墨烯正在Li//Li₂S@石墨烯电池和石墨//Li2S@石墨烯电池中的电化学表征。基于10mg_Li2S cm^-2负载量的Li₂S石墨烯电极的电位曲线(a)和循环性能(b)；(c)Li₂S@石墨烯电极在不同扫速下的CV；(d)Li₂S@石墨烯电极不同负载率下的循环性能；(e)Li₂S@石墨烯在不同充放电电流下的点位曲线；(f)Li₂S@石墨烯电极的长循环寿命；石墨//Li₂S@石墨烯电池在160mA g^-1下的电位曲线(g)和循环性能(h)。

在负载量为10mg_Li2Scm^-2时，电极表现出高达1160mAh g^-1s的可逆容量，即面积容量为8.1mAh cm^-2。用作全电池时，以Li₂S@石墨烯-正极//石墨-负极电池为例，输出高达730mAh g^-1s的容量并且循环性能优异。

机制分析

首先，薄层石墨烯片形成的胶囊状外壳，具有良好的导电性，由此改善倍率性能；

其次，胶囊状微结构使得整体结构更加紧凑，提高电极活性物质的负载率，从而增加能量密度；

另外，电池循环期间，胶囊外壳和Li₂S纳米晶粒之间的空隙可以有效适应体积膨胀，提高电极的循环稳定性，从而提高电池的寿命；

除此之外，胶囊结构的微裂缝有利于电解液的渗透和离子传输，进一步改善电池性能。

这项工作克服了与传统硫电极和以前报道的Li₂S复合材料相关的主要缺陷(高活化电位、复杂的制造工艺和高成本)，并有可能成为设计高性能硫电极材料的范例。此外，易于扩展的制造策略使得这种电极材料在Li-S电池的商业化方面极具潜力。

材料制备

Li₂S@石墨烯纳米复合材料的一步法合成： 使用0.4g锂金属箔与650℃的氩气伴随的CS₂蒸气在管式炉中反应5小时。 每次可以获得约1.0g的产物，其中同时产生Li₂S纳米晶体和几层石墨烯的紧密包裹物，从而形成Li₂S@石墨烯纳米胶囊。