Public Release: 

尖晶石铁酸盐助力提升锂硫电池的体积能量密度和循环稳定性

Science China Press

IMAGE

IMAGE: 相比于一维碳纳米管(CNTs),极性铁酸镍一维纳米纤维复合材料具有更大的体积能量密度和更高的稳定性 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

相比各种碳材料,过渡金属氧化物不仅对多硫化物具有强的化学吸附能力,可有效抑制多硫化物的穿梭效应,改善硫电极循环性能。同时,过渡金属氧化物本身高的密度有利于提高硫基复合正极材料的振实密度,有望实现硫电极的高质量比容量和高体积比容量。

基于这一设想,南开大学高学平课题组采用静电纺丝技术制备出具有多孔中空结构的尖晶石铁酸镍一维纳米纤维材料作为硫载体,以期重点实现的高体积比容量硫正极的研究目标。相关论文以“Sulfur/nickel ferrite composite as cathode with highvolumetric-capacity for lithium-sulfur battery”为题发表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9292-7。

高学平教授表示:“锂硫电池的理论能量密度按质量和体积计算分别为2600 Wh/kg和2800 Wh/L。如果实用化电池可实现理论能量密度的20%,锂硫电池的质量能量密度将有望达500 Wh/kg,这是一个研发人员正在努力追求的目标。”

500 Wh/L的体积能量密度,早在若干年前就已经在商业化的锂离子电池中得以实现,对锂硫电池而言是则是其未来实用化的短板。研究人员介绍说:“主要原因是锂离子电池采用金属氧化物正极材料具有高的密度 (~4.5 g/cm3),而硫单质的密度仅为2.07 g/cm3。此外,为改善硫电极电化学性能,通常将硫单质与轻质多孔碳材料或石墨烯复合,这势必会进一步降低了硫正极的振实密度,也制约了锂硫电池体积能量密度。”

该文通讯作者高学平教授介绍说:“吸附实验以及密度泛函理论计算表明,相比于一维碳纳米管(CNTs),极性铁酸镍一维纳米纤维对Li2S8具有更高吸附能力。铁酸镍纳米纤维对多硫化物的强吸附作用是确保其电化学循环稳定性的内在因素。”

电化学测试显示,硫/铁酸镍复合材料与硫/碳纳米管复合材料的质量比容量相近,但循环稳定性优于S/CNT复合材料。硫/铁酸镍复合材料的首周体积比容量是硫/碳纳米管复合材料的两倍,作者认为:“这主要得益于硫/铁酸镍较高的振实密度。”

此外,作者还补充道:“我们还验证了其它几种铁酸盐作为极性载体材料的优越性。该研究结果拓宽了硫正极载体材料的选材范围,即有助于锂硫电池高质量能量密度的实现,同时也兼顾其体积能量密度的提升。”

该研究得到了国家重点研发计划(新能源汽车专项)和国家自然科学基金的资助。

原文链接 (http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-018-9292-7https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-018-9292-7)

###

Disclaimer: AAAS and EurekAlert! are not responsible for the accuracy of news releases posted to EurekAlert! by contributing institutions or for the use of any information through the EurekAlert system.