北京大学在锂硫电池研究领域取得新进展

来源：中国教育和科研计算机网

北京大学工学院侯仰龙研究团队设计了两种锂硫电池的正极材料，其一为多孔碳球包裹的Si/SiO2复合材料，另一种为三维垂直排列的多孔碳层材料。这两种材料均表现出了高充放电容量、良好的倍率性能与优良的循环稳定性，为锂硫电池正极材料的设计提供了有效方法，第一篇成果发表在《先进材料》（IF=17.493）上，并被选为卷首插画（Frontispiece）（Y. Hou et al. Adv. Mater. 2016）；第二篇成果发表在《先进能源材料》（IF=16.146）上（Y. Hou et al. Adv.Energy Mater.2016）。

在目前的储能技术领域，锂硫电池的理论能量密度为锂离子电池理论能量密度的五倍以上，约为2600Wh/kg，其理论容量可高达1672mAh/g，具有环境友好与低成本的优势，表现出了较高的应用潜力，受到了广泛关注。

多孔碳球包裹的Si/SiO2复合材料

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重要问题。侯仰龙研究团队设计的多孔碳球包裹的Si/SiO2复合材料，使Si和SiO2在碳化处理过程后，均匀分布在多孔碳球中，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，吸附生成的多硫化物，并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，可更加有效吸附多硫化物，提升锂硫电池的循环稳定性。该多孔碳球包裹的Si/SiO2复合材料作为锂硫电池中的硫的载体，表现出高倍率性能与优良的循环稳定性，在2C的电流下，放电容量达到614mAh/g，循环500次后，容量维持在610mAh/g，每次仅衰减0.063%。

三维垂直排列的多孔碳层材料

侯仰龙研究团队所设计的另一种三维垂直排列的多孔碳层材料，具有丰富的空隙结构，比表面积达1750m2/g，这种结构不仅可使硫均匀地分布于基底材料中，并与电解质充分接触，还可以有效抑制多硫化物的穿梭效应，保证锂硫电池的循环性能。该三维多孔碳层材料在837mA/g的电流下，循环300次后，容量维持在844mAh/g，容量保留达到80.3%。与此同时，该电极材料具有出色的倍率性能，在3340mA/g的电流下，容量可达738mAh/g。

两篇文章第一作者均为工学院材料系2013级博士研究生Sarish Rehman，合作者包括研究员郭少军。研究得到国家自然科学基金委杰出青年基金、面上基金等项目的支持。