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Small Methods: 双溶剂法规模制备锂硫电池功能隔膜

以锂硫电池为代表的碱金属(锂/钠/钾)–硫属元素(硫/硒/碲)二次电池因其较高的能量密度而受到广泛关注。然而以锂硫电池为例,其独有的“飞梭效应”机制限制了其实际的能量密度和循环寿命。因此构筑实用化锂硫电池的关键在于如何有效地控制飞梭效应。针对此,设计多孔导电的中间隔层或者表面涂覆的功能隔膜对溶解的多硫化物进行拦截、捕获进而再利用被认为是一种行之有效的途径。然而隔层或者涂覆层的采用不可避免地增加了电池中非活性物质的质量和体积,不利于整体器件性能的提高。传统的隔膜研究往往关注基元材料的设计而忽视了对于普适的制备方法的探索,从而很大程度上难以充分发挥基元材料的优异特性。

Small Methods: 双溶剂法规模制备锂硫电池功能隔膜

近期,清华大学张强课题组、中国矿业大学刘瑞平课题组和北京理工大学黄佳琦课题组合作,提出了一种新型的双溶剂功能隔膜制备规模制备方法。通过借鉴传统胶体溶液超晶格的组装,他们将溶剂失稳的概念引入隔膜前驱体溶液挥发的过程,将弱极性溶剂乙醇引入原有的一元水系溶液体系,构筑二元双溶剂体系,有效地提高了隔膜涂层的成膜质量。以石墨烯/碳纳米管杂化物和亲水聚丙烯酸高分子复合体系为例,采用双溶剂法得到的涂覆隔膜表面致密,涂层厚度仅为1.3 μm,相比仅采用水为溶剂的涂覆隔膜具有更高的多硫化物拦截效率,从而在0.5 C电流密度、70%容量保持率的条件下锂硫电池循环寿命分别是未涂覆隔膜和单溶剂法涂覆隔膜的8倍和5倍。因涂覆层“轻、薄”的特性,该双溶剂法涂覆隔膜用于硫负载量高达7.1 mg/cm2的锂硫电池时,涂覆层额外质体积对能量密度带来的影响小于1%,但正极的质量和体积比容量比采用未涂覆隔膜的电池高5倍。更重要的是,该方法简单易行,与传统电池工业涂覆技术相兼容,采用溶剂/材料绿色环保,有利于大规模制备及使用,为软包电池级别锂硫电池提供保障。

该工作不仅提出一种规模制备高性能锂硫电池功能涂覆隔膜的新方法,同时双溶剂调控的概念对于电化学储能领域的多组分、多功能涂层/电极的涂覆制备具有普适意义。例如该概念可以用于锂硫电池超厚、致密硫正极的制备,用以降低电池的电解液用量,提升器件能量密度。

相关论文“Solvent-Engineered Scalable Production of Polysulfide-Blocking Shields to Enhance Practical Lithium–Sulfur Batteries”已发表于Small MethodsDOI: 10.1002/smtd.201800100)上,第一作者为中国地质大学硕士生秦金磊和清华大学化工系博士生彭翃杰

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