一氧化鈦/碳復(fù)合空心球在鋰硫電池中的應(yīng)用

郭玉國(guó)

(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

一氧化鈦/碳復(fù)合空心球在鋰硫電池中的應(yīng)用

郭玉國(guó)

(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，一些新興的應(yīng)用領(lǐng)域，如電動(dòng)汽車(chē)、消費(fèi)電子、大規(guī)模儲(chǔ)能電站等，對(duì)二次電池的性能也提出了越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)的鋰離子二次電池偏低的能量密度成為制約其在這些領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸。開(kāi)發(fā)基于新化學(xué)原理儲(chǔ)能的高能量密度電池體系正成為全球范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。單質(zhì)硫的理論比容量為1675 mAh·g－1，與金屬鋰構(gòu)建成鋰硫電池時(shí)，其理論能量密度高達(dá)2600 Wh·kg－1；同時(shí)，硫還是一種來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好的材料。因此，鋰硫電池被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的電池體系之一。盡管如此，受限于單質(zhì)硫的物化特性及鋰硫電池電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中固有的反應(yīng)特性，鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用仍然面臨諸多技術(shù)難點(diǎn)，主要包括：(1)單質(zhì)硫的導(dǎo)電性差；(2)反應(yīng)中間產(chǎn)物多硫化鋰在有機(jī)電解液中極易溶解流失，導(dǎo)致電池循環(huán)穩(wěn)定性變差和庫(kù)倫效率降低；(3)硫在鋰化過(guò)程中有較大的體積膨脹。

在近期發(fā)表的Nature Communications論文中，新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文課題組及北京計(jì)算科學(xué)研究中心劉利民課題組報(bào)道了一種由一氧化鈦和碳組成的空心納米球(TiO@C)，并將其作為硫的載體應(yīng)用于鋰硫電池1。一氧化鈦的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于二氧化鈦及Magnéli相的亞氧化鈦(TinO2n－1,n= 4－10)，同時(shí)其化學(xué)穩(wěn)定性又與亞氧化鈦(Ti4O7)類(lèi)似。理論計(jì)算的結(jié)果表明，相對(duì)于二氧化鈦，一氧化鈦與多硫化鋰之間的吸附結(jié)合能更強(qiáng)。但是，考慮到極性材料對(duì)多硫化鋰的化學(xué)吸附能力有一定的限度，當(dāng)硫含量較高時(shí)，電極中的多硫化鋰并不能全部都被有效吸附在極性基體材料的表面2。為此，研究人員設(shè)計(jì)了空心納米結(jié)構(gòu)作為硫的載體。當(dāng)硫被限制在由一氧化鈦和碳共同構(gòu)成的空心球內(nèi)部后，鋰硫電池在循環(huán)過(guò)程中形成的多硫離子能夠被有效地束縛在該極性結(jié)構(gòu)內(nèi)部而不易溶出。這種空心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)最大化地利用了極性材料對(duì)多硫離子吸附的作用，相對(duì)于常規(guī)的納米顆粒，基于該空心納米球構(gòu)筑的正極材料表現(xiàn)出了更好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在硫的面負(fù)載量達(dá)到4 mg·cm－2時(shí)，鋰硫電池仍表現(xiàn)出良好的電化學(xué)活性和循環(huán)穩(wěn)定性。

樓雄文等人的工作克服了硫正極材料的主要問(wèn)題，同時(shí)，揭示了空心納米結(jié)構(gòu)在鋰硫電池中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為鋰硫電池正極材料的設(shè)計(jì)和合成提供了新思路。

(1) Li,Z.;Zhang,J.;Guan,B.;Wang,D.;Liu,L.M.;Lou,X.W. Nat.Commun.2016,7,13065.doi:10.1038/ncomms13065

(2) Li,Z.;Wu,H.B.;Lou,X.W.Energy Environ.Sci.2016,9,3061. doi:10.1039/C6EE02364A

10.3866/PKU.WHXB201611011