鋰硫電池碳基隔膜改性的研究進展

錢忠豪

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、前言

近年來，人們越來越多地致力于開發有前途的電化學儲能裝置，以取代高成本的燃料電池，減少化石燃料的消耗，同時實現可持續的經濟增長。隨著時間的推移，鋰硫電池以其高理論容量、高能量密度和環保的特性，正逐漸成為最有前途的儲能裝置之一。由于Li-S電池相較于鋰電池，擁有更高理論比容量1675 mA?h/g和更高的理論比能量2500 W?h/kg，并且作為正極材料的硫在自然中儲量豐富，無毒安全等性質是其成為下一代最有希望的二次電池。鋰硫電池作為新的儲能裝置雖然有很大的吸引力，但是目前仍有許多問題需要解決，如硫和硫化鋰的絕緣性、穿梭效應、體積變化等，這些問題極大阻礙了商業化進程[1]。 通過構造合適的隔膜結構，能夠適應體積變化、抑制穿梭效應。幾年來，在鋰硫電池正極材料的改性一直是熱門話題，目前科研工作者們主要將納米結構碳作為硫的改性材料。

二、改性隔膜

改性隔膜主要采用納米復合材料來減緩多硫化物在電解液中溶解或者捕捉游離的多硫化物并為鋰離子的傳輸提供良好的環境。碳材料改性隔膜通常是通過漿料涂層技術，真空過濾、磁控濺射、絲網印刷形成薄層涂層等方法[2]。多孔聚合物作為鋰硫電池的隔膜材料能防止內部短路，且保持正常的鋰硫電池的擴散途徑。

(一)碳材料改性隔膜

導電碳粉、碳納米管、碳納米線等碳材料具有優異的導電性和熱穩定性，可用于鋰硫電池隔膜。通過形成漿料，在聚烯烴的一側進行涂覆，使商用的導電碳粉制成聚烯烴隔膜。與一些常規隔膜相比，碳涂層隔膜具有一種特殊涂層并形成一個導電網絡結構以捕捉多硫化物以此提高活性物質利用率[3]。除了碳粉涂層隔膜外，碳納米管等獨特的結構也可被應用在鋰硫電池的隔膜上涂覆。制備單層碳納米管用于鋰硫電池的隔膜通過真空過濾法來控制膜孔徑，可以抑制多硫化物的遷移，保護鋰金屬陽極免受嚴重的多硫化物污染。多孔碳納米線的隔膜表現出優異的電化學性能[4]。Kim和他的課題組[5]制備了超薄氮和硫共摻石墨烯納米片層，并將其沉積在鋰硫電池的聚乙烯隔膜上，具有良好的性能。

(二)聚合物改性隔膜

導電聚合物層的表面通常是微孔、中孔或分層多孔，通常可以與不同的原子，如氧，氮，硫和碘等摻雜制備不同的改性隔膜材料[6]。薄膜上不同的功能聚合物層決定了鋰硫電池復合隔膜的表面特性，可以有效抑制多硫化物擴散。

三、 結論和展望

采用不同的隔膜材料進行改性具有以下特點：由于存在大量的金屬相和半金屬相導致其具有不錯的導電性；固有的親硫性質；對多硫化物的氧化還原反應起到催劑的作用，促進電化學反應的進行；由于鋰化電壓較低，有效的防止在Li-S電池的工作電壓下導致的過充現象。碳的隔膜材料由于其獨特的電子結構、高電導率、大的體積能量密度和很好的電催化活性成為了新一代有前景的硫載主材料。

根據近二十年來科研工作者們的努力研究，在Li-S電池正極中已經取得了許多的進展，多硫化物的穿梭效應得到了很好的抑制，初始比容量及循環次數得到了顯著的提升，并且隨著循環過程中容量衰減率也在減少。但是，Li-S電池存在的一些問題仍然需要進一步改善：目前多數過渡金屬化合物在硫正極上硫的負載率遠低于實際Li-S電池中的硫負載量；目前鋰硫電池正極材料的設計并不能使實際比容量接近鋰硫電池的理論比容量，存在一定的差距；循環次數仍不能滿足實際需求，離商業化生產仍有一段距離。經過不斷實驗、理論分析簡化復合材料的制備方法以及提高電化學性能，在不遠的將來，鋰硫電池將商業規模化生產應用到我們生活中。