金鐘課題組在耐高溫、柔性可拉伸鋰硫電池領域取得進展
隨著便攜式電子器件和智能穿戴設備的飛速發(fā)展，對柔性、高能量密度儲能電池的研發(fā)備受關注。鋰硫電池具有極限能量密度高（2600 Wh kg?1）、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)勢，在便攜儲能領域的應用前景廣闊。與傳統(tǒng)的剛性電池不同，柔性電池中所有的功能組分（包括正極、負極、電解液/隔膜、集流體、封裝材料等）需要滿足在柔韌性、電化學性能、安全性、耐溫性等方面的高標準和良好兼容性。
針對這一問題，南京大學化學化工學院、介觀化學教育部重點實驗室、江蘇省先進有機材料重點實驗室金鐘教授帶領的“清潔能源材料與器件”研發(fā)團隊設計和構筑了一種柔性可拉伸的鋰硫電池。該電池擁有活性物質負載大（14 mg cm?2），面積容量大（11 mAh cm?2），耐高溫（80 °C）等優(yōu)勢。電池整體擁有優(yōu)異的力學性能，在拉伸至原始長度的4倍時仍可維持供電。相關研究成果以“Superstretchable, thermostable and ultrahigh-loading lithium–sulfur batteries based on nanostructural gel cathodes and gel electrolytes”為題發(fā)表在Nano Energy期刊上（DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105510）。
該電池由高彈性、高延展度的凝膠硫正極、凝膠電解質、模塊化的鋰片負極和高分子封裝材料組成（圖1）。其中，凝膠硫正極通過聚合物相轉換方法制備，形成了由三維多孔硫碳復合物、碳納米管導電網(wǎng)絡、彈性高分子骨架組成的三元復合結構，這樣的多組分一體化設計既能保證電極在拉伸時充分維持其導電性（最大可拉伸至初始長度的16倍，圖2），也能有效抑制多硫化鋰的穿梭效應，確保電池的循環(huán)穩(wěn)定性。另一方面，與正極相匹配的凝膠電解質也被成功應用于柔性可拉伸鋰硫電池中。得益于電極材料和凝膠電解質的穩(wěn)定性，該電池可以在80 °C的高溫環(huán)境下正常工作（圖3）。在反復拉伸測試的實驗條件下，電池保持了良好的充放電穩(wěn)定性，并在超高的面積載硫量下（14 mg cm?2）獲得了良好的面積容量（11 mAh cm?2）和長期循環(huán)性能（圖4）。本研究為開發(fā)基于新材料體系、新器件結構的柔性可拉伸鋰硫電池的提供了思路。
該論文的第一作者為博士研究生嚴雯同學，南京大學化學化工學院李承輝教授在高分子材料優(yōu)化和力學測試方面給予了幫助。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中央高校基本科研業(yè)務費、國家自然科學基金、江蘇省杰出青年基金、JW科技委GF科技創(chuàng)新特區(qū)項目、ZB預研教育部聯(lián)合基金青年人才基金的資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520310843?
圖1. 柔性可拉伸鋰硫電池的器件結構示意圖、三維多孔凝膠硫正極的制備過程與結構表征。
圖2. 柔性可拉伸凝膠電極、電解質和柔性鋰硫電池的力學性能測試。?
圖3. 柔性可拉伸鋰硫電池的電化學特性、耐高溫性能和長期循環(huán)性能。
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圖4. 柔性可拉伸鋰硫電池在高面積載硫量下的性能對比測試。
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