化學所在鋰硫電池研發方面取得系列進展

　　隨著電動汽車、便攜式電子設備和家用儲能電源的蓬勃發展，迫切需要開發高比能量二次電池體系。鋰硫電池由于具有高達2600 Wh/kg的理論質量比能量而成為目前該領域的研究前沿與熱點。

　　最近，在中國科學院先導專項、科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中國科學院化學研究所分子納米結構與納米技術院重點實驗室研究員郭玉國課題組科研人員在金屬鋰負極與硫正極相關基礎研究，及鋰硫軟包電池工程技術研發方面取得系列進展（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510；Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13186； J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2215； Nat. Commun., 2015, 6: 8058, doi:10.1038/ncomms9058）。

　　該課題組研究人員長期致力于高效、穩定的高比能鋰硫電池材料研究。前期研究工作中，他們針對鋰硫電池中常規環狀S8分子正極材料充放電過程中形成易溶性多硫離子，造成硫正極的循環性能極差的問題，從硫分子結構設計出發，提出通過構筑鏈狀小硫分子從根本上解決這一多硫離子溶出難題的新思想，并通過納米孔道的空間限域效應實現了非常規、亞穩態小硫分子的篩選和穩定化，制備出比容量高、倍率性能優良、循環性能優異的硫碳正極材料 (J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510)。近期，他們在空間限域鏈狀硫分子的電化學鋰化/去鋰化反應機理研究方面又取得新進展，研究結果發表在近期的J. Am. Chem. Soc.（2015, 137, 2215?2218）雜志上。

　　他們將一維的鏈狀硫分子限制在碳納米管中，成功制得了研究鏈狀硫分子電化學性能的模型體系。通過系統深入的原位和半原位研究發現，碳納米管限域的鏈狀硫經歷一種新奇的電化學反應過程，硫鏈在反應中縮短，電化學性能自發優化，而且反應接近于固相反應，從而有效避免了硫正極中間產物的溶出問題（圖1）。在揭示了其循環穩定的內在機制的基礎上，他們提出利用“雙功能核-殼結構介-微孔碳載體”用于高效、穩定的高容量硫碳復合正極材料的理性設計方案。通過這一方案，既提高了硫的裝載量，又有效限制了多硫化物的溶出，實現了可放大制備的硫正極材料技術解決方案。

　　除了硫正極外，金屬鋰負極也是鋰硫電池能否實際應用的關鍵。針對充放電過程中金屬鋰負極的不均勻溶解和沉積（即枝晶）問題，他們提出利用三維納米銅集流體來引導金屬鋰在三維電極內部的均勻沉積與溶解的思想，成功實現了負極表面金屬鋰枝晶的控制。相關結果近日發表在Nat. Commun.（2015, 6, 8058）雜志上。

　　研究表明，當采用具有亞微米骨架、高比表面積的三維銅箔用于金屬鋰的沉積時，鋰負極主要沉積在三維銅箔的孔道內（> 98%），電極表面鋰枝晶的生長得到了有效抑制（圖2）。相比于平整銅集流體上的鋰負極，限制在三維納米銅集流體中的金屬鋰負極可連續工作好幾百小時以上而不短路，鋰的沉積效率大幅提高；電池的壽命、穩定性和安全性也得到了顯著提升。這一發現揭示了鋰負極集流體的作用，對設計實用的金屬鋰負極具有重要的指導意義。

　　在上述基礎研究的基礎上，研究人員還著力于鋰硫電池工程技術研發。在中國科學院戰略性先導科技專項“變革性納米制造產業技術聚焦”項目“長續航動力電池”的支持下，在化學所建立了鋰硫軟包電池組裝線，鋰硫軟包電池的各項性能指標均取得了重要進展。目前可批量制備單體容量為0.5-30Ah的不同規格鋰硫軟包電池，其能量密度可達350-450Wh/kg，循環次數大于50次。相關鋰硫軟包電池已于9月3日至5日在北京召開的第六屆中國國際納米科學技術會議（ChinaNANO 2015）上展出（圖3）。

圖1 鏈狀硫分子在鋰硫電池中鋰化-去鋰化過程示意圖

圖2 金屬鋰在不同集流體中的沉積

圖3 不同規格鋰硫軟包電池