石墨烯氣凝膠應用於高體積比能量鋰硫電池研究獲進展

近日,中國科學院大連化學物理研究所二維材料與能源器件創新特區研究組研究員吳忠帥團隊發展瞭一種三維石墨烯/納米碳管多孔氣凝膠材料,並將其應用於鋰硫電池的硫單質載體和中間層一體化正極,獲得高體積能量密度和優異循環穩定性的鋰硫電池。相關研究成果發表在《納米能源》(Nano Energy)上。

石墨烯氣凝膠應用於高體積比能量鋰硫電池研究獲進展

大連化物所石墨烯氣凝膠應用於高體積比能量鋰硫電池研究獲進展

鋰硫電池具有高質量理論能量密度(2600Wh/kg)和高體積能量密度(2800Wh/L),被認為是一種非常有應用前景的高比能電池。但由於硫單質存在質量密度低(2.07g/cm3)、導電性差(5×10-30S/cm),以及充放電過程中活性物質體積膨脹大(78.7%)、多硫化物穿梭嚴重等問題,導致其雖然質量密度較高,但體積能量密度普遍較低、循環性能較差,這大大限制瞭鋰硫電池的實際應用。因此,如何同時提高鋰硫電池的質量和體積能量密度,並延長其循環壽命是目前鋰硫電池應用研究的瓶頸之一。

該研究團隊開發出一種三維石墨烯/碳納米管多孔氣凝膠材料,並同時將其應用於鋰硫電池的硫單質載體和中間層,成功構築出自支撐、無金屬集流體的一體化正極材料。該一體化正極材料具有高的壓實密度、優異導電性、良好的機械柔性,不僅實現瞭高的體積硫載量(1.64g/cm3),顯著提高瞭鋰硫電池的體積能量密度(1615Ah/L),而且有效地抑制瞭多硫化物穿梭的效應。在2C的大電流密度的條件下,電池能夠穩定循環500圈,且容量幾乎沒有衰減,表現出優異的循環穩定性。這種硫單質載體和中間層一體化正極結構的設計策略為構建高體積能量密度、長循環壽命的鋰硫電池提供瞭新的思路。

上述工作得到國傢自然科學基金、國傢重點研發計劃等的資助。

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