多孔碳球包裹的Si/SiO2锂硫电池正极材料

具有高能量密度与高功率密度的能量储存装置,对于现代社会的发展具有重要意义。虽然锂离子电池凭借其较高的能量密度,已在社会中获得了广泛应用,但其容量与能量密度严重受限于正极材料的发展,难以满足新兴技术领域对高容量储能装置的迫切需求。锂硫电池作为新一代储能装置,所使用的正极材料硫,不仅储量丰富,还具有很高的理论容量,达1675 mAh g-1。锂硫电池的理论能量密度也达到了锂离子电池理论能量密度的5倍以上,约为2600 Wh kg-1,并具有环境友好、低成本的优势,表现出了较高的应用潜力。虽然锂硫电池具有很高的应用价值,但由于硫的导电性差、充放电过程中体积变化大,尤其是形成的多硫化锂中间产物,其在正负极之间的穿梭作用,会显著降低锂硫电池的容量与循环稳定性,成为锂硫电池发展中亟待解决的关键问题。

多孔碳球包裹的Si/SiO2锂硫电池正极材料

为了解决这些锂硫电池领域中的相关问题,北京大学工学院侯仰龙教授、博士生Sarish Rehman郭少军研究员通过利用八苯基倍半硅氧烷作为硅源与碳源,发生交联反应,形成网络结构;再经高温碳化过程与NaOH刻蚀处理,制备了可作为锂硫电池正极硫载体的多孔碳球包裹的Si/SiO2复合材料。在该电极材料中,Si和SiO2在碳化处理过程后,可均匀分布在多孔碳球中;并在刻蚀处理后,优化了Si/SiO2的含量,同时形成的微孔和中孔结构,不仅提供了储硫的空间,还可通过物理吸附的方式,吸附生成的多硫化锂;在物理吸附作用的基础上,分布于多孔碳球中正电性的Si/SiO2,与负电性的多硫化物阴离子之间存在强烈的静电相互作用,对多硫化锂的吸附能力得到加强,可进一步提升锂硫电池的循环稳定性。该结构的材料在电化学性能测试中,表现出了优异的性能,具有出色的倍率性能与循环稳定性。在0.1 C与2 C的电流倍率下,该结构锂硫电池的比容量分别为1230 mAh g-1与614 mAh g-1。在2 C的倍率下,循环500次后,电池容量可维持在610 mAh g-1,每圈仅衰减0.063%。该工作不仅设计了多级孔隙结构,并将物理吸附与化学吸附作用相结合,为锂硫电池正极材料的设计提供了一种有效方法,为开发高性能锂硫电池提供思路。

相关结果发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201506111),并被选为当期卷首插画(Frontispiece)。

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多孔碳球包裹的Si/SiO2锂硫电池正极材料多孔碳球包裹的Si/SiO2锂硫电池正极材料

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