鋰硫電池因較高的理論容量（1675 mAh•g-1）和能量密度，被認為是增加電動汽車續(xù)航里程的有效策略之一。然而，硫正極電子導(dǎo)電性差、體積變化劇烈以及多硫化鋰的穿梭效應(yīng)等缺點，阻礙了鋰硫電池的性能。因此，開發(fā)和制備新型硫正極材料將是實現(xiàn)高效儲能鋰硫電池的有效途徑之一。
中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員武建飛帶領(lǐng)的先進儲能材料與技術(shù)研究組，在鋰硫電池領(lǐng)域進行了系列的科學(xué)探索。近日，該研究組在前期研究的基礎(chǔ)上（Chemical Engineering Journal，2022, 427, 131790），開發(fā)出具有高比表面和多級孔結(jié)構(gòu)的活性炭（AC）載體，并通過硒（Se）和碲（Te）取代部分S的新型正極材料。該新型正極具備容量高、導(dǎo)電性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，且在醚類和酯類電解液中均表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
如圖1所示，Raman光譜、XRD和XPS譜圖中出現(xiàn)了有別于S、Se、Te單一組分的新的特征峰，HRTEM圖中也出現(xiàn)了基于S-Se-Te的晶格條紋，表明該正極材料并非S、Se、Te三種組分簡單的物理混合，而是彼此鍵合形成一種新型的三元化合物。該SST/AC復(fù)合電極在醚類和酯類電解液中均表現(xiàn)出優(yōu)于單一S的電化學(xué)性能。在酯類電解液中，電池在0.5 C電流密度下循環(huán)300圈后仍能保持1024.9 mAh•g-1的高比容量，且在酯類和醚類電解液中容量保持率均能達到70%以上，表現(xiàn)出良好的兼容性。此外，S、Se和Te的三元協(xié)同效應(yīng)可有效提升材料的導(dǎo)電性能，顯著降低電荷傳輸能壘，從而減小充放電過程中的電化學(xué)極化，改善了材料的庫倫效率和循環(huán)性能。
該研究通過硫族元素改良硫正極，解決鋰硫電池中硫正極本征缺陷的問題，且在醚類和酯類電解液中均有良好的兼容性，為硫族元素在鋰硫電池中的研究和應(yīng)用提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在《應(yīng)用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院、中國博士后科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等的支持。
S-Se-Te三元復(fù)合正極材料物相形貌表征及電化學(xué)性能
（來源：青島生物能源與過程研究所）