鋰/硫電池理論容量高（1673 mAh/g），約為傳統(tǒng)鋰離子電池容量的8倍，同時其活性材料硫儲量豐富，是最具發(fā)展?jié)摿Φ母吣芑瘜W(xué)電源體系，有望解決新能源汽車的“里程焦慮”難題。目前，鋰/硫電池面臨的一個較大的問題就是在充放電過程中，產(chǎn)生的可溶性多硫化物，在正負極之間的穿梭效應(yīng)。這種多硫化物的穿梭效應(yīng)會導(dǎo)致電池庫倫效率的降低、活性材料的損失以及容量的迅速衰減。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院周恒輝課題組與耶魯大學(xué)化學(xué)院王海梁課題組合作，致力于解決鋰/硫電池中多硫化物的穿梭效應(yīng)的問題，取得了一系列重要進展。極性材料在固硫方面表現(xiàn)出較好的效果，但是其固硫機理難以確定，他們提出了采用金屬有機小分子二茂鐵作為固硫材料（圖1），實現(xiàn)了鋰/硫電池長達550次的平穩(wěn)循環(huán)，并結(jié)合XPS分析與DFT計算，證明了二茂鐵的固硫機理為茂環(huán)與鋰的作用（Angew. Chem., 2016, 128, 15038.）。電池的性能不僅與固硫材料對多硫化物的親和力有關(guān)，固硫材料的本體導(dǎo)電性也非常重要。因此，他們提出采用半金屬導(dǎo)體金屬磷化物與碳納米管的復(fù)合物作為硫正極中的添加劑，提高硫正極的導(dǎo)電性、緩解多硫化物的穿梭效應(yīng)并促進多硫化物的氧化還原動力學(xué)，實現(xiàn)了鋰/硫電池長達1100次的長循環(huán)（Nano Research, 2017, accepted）。
圖1. 二茂鐵與石墨烯的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)（上左）、DFT計算結(jié)果（上右）以及鋰/硫電池循環(huán)性能（下）。
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201609147/full
最近，他們發(fā)展了一種超薄氧化石墨烯與與聚酰胺-胺型樹枝狀高分子的復(fù)合膜，用于硫正極的保護，有效提高了鋰/硫電池的長循環(huán)穩(wěn)定性（圖2）。該保護膜是將氧化石墨烯與高分子材料相融合制成凝膠狀材料，涂抹在硫正極表面，形成100 nm左右的薄膜，并且由于該薄膜輕薄的特質(zhì)，其對電池的能量密度幾乎沒有任何影響。更重要的是，這種復(fù)合薄膜幾乎可以與任何硫正極相融，達到保護硫正極的效果，例如二茂鐵與多孔碳的復(fù)合物作為基底材料的硫正極（J. Mater. Chem. A, 2017, accepted）。部分工作于2017年3月20日在線發(fā)表于PNAS上（DOI:10.1073/pnas.1620809114 ）。
圖2. 高分子材料的結(jié)構(gòu)（上左）、DFT計算結(jié)果（上右）以及鋰/硫電池循環(huán)性能（下）。
該系列工作均由2012級博士生米英英和劉文博士（周恒輝組2013年的畢業(yè)生，現(xiàn)為北京化工大學(xué)教授）等為共同一作。相關(guān)工作得到了北大先行科技產(chǎn)業(yè)有限公司、國家留學(xué)基金委、耶魯大學(xué)等相關(guān)項目的資助。
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