北京理工大學和清華大學在電極設計中采用高能密度材料提高鋰硫電池的性能

目前，鋰離子電池還不能滿足高功率電子設備、電動汽車和智能電網對能源的需求。為了開發更高容量的電池，研究人員將目光投向了鋰硫電池，因為硫的理論容量和能量密度都很高。但鋰硫電池在實際應用中還存在著一些問題，如硫本身的電導率較低以及多硫化物從正極逸出會引起容量迅速衰減等。最大的問題是在循環過程中產生的穿梭效應，這種效應導致多硫化物從正極擴散，造成容量損失，它還消耗大量新鮮的鋰和電解質，降低電池的性能。

為了解決鋰硫電池的穿梭問題，提高鋰硫電池的性能，北京理工大學和清華大學的研究人員使用一種新型材料制作了一種夾心結構的電極，這種材料可以捕獲多硫化物并提高反應動力。相關技術論文已在AIP出版社的《APL Materials》雜志上發表。

ZIF-67是一種由金屬離子或金屬團簇和有機配體構成的金屬有機骨架(MOF)。它在氣體儲存和分離、催化和能量儲存等方面具有廣闊的應用前景。MOF衍生材料由于其堅固的結構、多孔表面和高電導率，在儲能方面也很有吸引力。將硫固定在兩層PZ67(源自ZIF-67)之間形成的夾心結構的電極PZ67SPZ67，使鋰硫電池的實際能量密度比鋰離子電池提高了3～5倍。PZ67由極性材料組成，多孔碳在化學作用中表現出協同效應，用作物理屏障，提供高電導率以阻止多硫化物的穿梭效應并增強電池的循環性能。

論文作者李思武表示，多孔PZ67不僅能捕集多硫化物并約束之以減少其穿梭效應，還能改善電池循環過程中實際活性材料的反應動力學性能。這意味著它還可以提高電池的放電電壓，這對提高電池的能量密度有很大貢獻。這種夾心結構的電極可以約束可溶性多硫化物，這對任何需要限制可溶性材料的人來說都是有用的。他的研究團隊計劃繼續他們的工作，放大利用熱壓工藝制造混合電極的工藝。還計劃通過增加一層保護層來解決鋰硫電池負極側的不穩定性問題。

[許建耘摘譯自 ScienceDaily，2019-10-30]