中國粉體網(wǎng)訊    隨著社會和科技的發(fā)展,，人類對電化學(xué)儲能技術(shù)的需求日益增加,，新興儲能系統(tǒng)——鋰硫電池具有理論容量高、成本低,、環(huán)境友好等優(yōu)點,，備受國內(nèi)外研究者的關(guān)注。而研發(fā)高容量鋰硫電池正極材料,，對推動新能源動力汽車,、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。

　　硫化鋰（Li2S）材料理論容量高達1166 mA h g-1,，是其它過渡金屬氧化物和磷酸鹽的數(shù)倍,；其首次脫鋰充電過程中所發(fā)生的體積收縮能給后續(xù)的嵌鋰放電反應(yīng)提供空間,，保護了電極結(jié)構(gòu)不受破壞；其可與非鋰金屬負極材料（諸如硅,、錫等）組裝電池,，有效避免鋰枝晶形成等問題所帶來的安全隱患，是極具發(fā)展?jié)摿Φ匿嚵螂姵卣龢O材料,。然而,，該材料電子／離子導(dǎo)電率低，反應(yīng)中間產(chǎn)物多硫化物在電解液中的溶解引發(fā)穿梭效應(yīng)等問題,，限制了其在鋰硫電池中的實際應(yīng)用,。

　　近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張躍鋼課題組自主研發(fā)設(shè)計了原位掃描/透射電鏡電化學(xué)芯片,，實現(xiàn)了其對硫化鋰電極充電過程的實時觀測,；在充分理解Li2S充放電機理的基礎(chǔ)上設(shè)計了高氮摻雜石墨烯負載硫化鋰材料作為電池正極，并通過控制充電容量和電壓,，顯著提升了Li2S的容量利用率及循環(huán)壽命,，相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Energy Materials 雜志上。

　　研究人員為提高鋰硫電池的容量利用率和循環(huán)壽命,，通常會將硫填充至具有高比表面積和高導(dǎo)電性的多孔材料中（如：碳納米管,，多孔碳，石墨烯和碳纖維等）,。張躍鋼課題組在前期研究工作中發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯上引入氮摻雜官能團,，不僅可以有效減少多硫化物在電解液中的溶解，而且可優(yōu)化多硫化物在沉積過程中的分布（Nano Letters,，2014, 14, 4821−4827）,。為了更好地改善Li2S的容量利用率以及循環(huán)壽命，該團隊利用原位表征技術(shù)研究了Li2S溶解和再沉積機理,，進而提出將最初活化電池電壓調(diào)控到3.8 V,，然后通過控制電壓（1.7~2.4 V）和充電容量可有效阻止長鏈可溶性多硫化物的形成，該充放電調(diào)控方法讓電極在充電過程中保留了一部分不可溶的Li2S作為種子,，使得Li2S材料能夠有效地活化和均勻地再沉積,。此外，該研究通過在氮化處理前的氧化石墨烯表面包覆葡萄糖,，有效增加了石墨烯的折皺率和彎曲率,，進而為多硫化物提供了更多的負載位點；反應(yīng)過程中利用氨水和高溫氨氣熱處理的方法使得氮摻雜量提高至12.2%,；該高氮摻雜石墨烯材料不僅具有高導(dǎo)電性,，其表面氮官能團更能有效減少多硫化物的溶解，優(yōu)化Li2S的均勻分布,。利用該高氮摻雜石墨烯－Li2S復(fù)合正極材料所制備的鋰硫電池在2000圈（1C）循環(huán)后其容量仍能保持318 mA h g-1（按硫元素重量折算為457 mA h g-1）,，3000圈（2C）循環(huán)后仍能保持256 mA h g-1（按硫元素重量折算為368 mA h g-1）,，是迄今為止所報道的最長循環(huán)壽命。

　　該研究工作首次利用了新開發(fā)的原位掃描電鏡和原位透射電鏡芯片技術(shù)實現(xiàn)了對硫化鋰電極充電過程的實時觀測,，并在研究Li2S充放電機理的基礎(chǔ)上,，開發(fā)新的電壓－容量調(diào)控機制，設(shè)計了一種新型的高氮摻雜負載硫化鋰的電極材料,，為高能量的Li2S-C /Li 電池的應(yīng)用打開了廣闊的應(yīng)用前景,。

　　該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、中國科學(xué)院****人才專項的大力支持,。