引言

鋰硫電池由于具有高的理論能量密度而受到研究人員的廣泛關注。向鋰硫電池體系中引入固態電解質，不僅能抑制多硫化物的穿梭效應及其導致的庫侖效率下降及容量衰減等問題，還能解決循環充放電過程中形成的鋰枝晶導致的安全隱患。要提高鋰硫電池的循環穩定性，就需要在深入理解固態電解質的形成機理及導電機制的基礎上，研發同時具有高的離子選擇性及高的鋰離子電導率的固態電解質材料。

成果簡介

近日，美國麻省理工學院的李巨教授、Akihiro Kushima助理教授和南京航空航天大學的張校剛教授（共同通訊作者）及徐桂銀博士（第一作者）等采用鋰硫電池常用的醚基電解質（DOL/DME）溶液，用硝酸酸化的碳納米管紙（以下分別用CNTP和ACNTP表示酸化處理前、后的碳納米管紙）誘導1,3-二氧戊環（DOL）進行陽離子原位聚合，在ACNTP表面原位生成了柔性、可自愈的固態電解質薄膜。這種固態電解質薄膜具有高度的離子選擇性，能將可溶性多硫化物密封在正極室，但允許鋰離子的雙向通過，從而有效抑制了穿梭效應，并提高了鋰硫電池的循環壽命。以金屬鋰作為負極，以負載硫的活性炭（AC/S）作為正極，采用常用的醚基電解質溶液（DOL/DME），并以PP/ACNTP/PP（PP為聚丙烯）三明治結構作為隔膜構成的扣式電池，在電化學測試中表現出良好的循環穩定性：當充放電倍率為1C（1675 mA/g）時，其初始比容量為683 mAh/g，在循環充放電400圈后仍保持有454 mAh/g的放電比容量。該鋰硫電池的庫侖效率高達99%，平均每圈循環伴隨的容量衰減僅為0.1%。該研究成果以“Ad hocsolid electrolyte on acidized carbon nanotube paper improves cycle life of lithium–sulfur batteries”為題，發表在Energ. Environ. Sci.上。

圖文導讀

圖1. ACNTP誘導DOL的陽離子原位聚合

(a) 縱橫交錯的鋼筋網。向鋼筋網上傾倒液態混凝土并使之固化，即可得到堅固的鋼筋-混凝土結構。

(b) ACNTP在醚基電解質（DOL/DME）溶液中誘導DOL發生陽離子原位聚合的過程示意圖。

(c) 未接觸電解質溶液的ACNTP；(d) 與電解質溶液接觸后形成的ACNTP/固態電解質復合結構；(e) 經過循環充放電后的ACNTP/固態電解質的SEM圖像。

圖2. 固態電解質的機械性能測試

用SEM中的納米操縱探針對ACNTP上原位生成的固態電解質進行(a) 劃痕實驗；(b) 拉伸實驗。

圖3. 電化學性能表征

(a) 鋰硫電池體系中含有ACNTP時AC/S正極的循環伏安曲線，掃描速度為0.2 mV/s。

(b, c) 充放電倍率為0.5C時，AC/S正極、含有CNTP及ACNTP時的AC/S正極的 (b) 第10圈恒流充放電曲線；(c) 長循環穩定性能。

(d) 充放電倍率為1C時，含有ACNTP時AC/S正極的長循環穩定性能及庫侖效率。

圖4.ACNTP的形貌、結構表征及其表面吸附Li2Sn(n=1,2,4)的結構示意圖

(a) ACNTP的SEM截面圖。

(b) 充放電循環50圈后ACNTP的SEM圖像，充放電倍率為0.5C。

(c-f) 圖b對應的EDS元素分布圖。

(g) ACNTP表面嫁接-COOH結構示意圖。

(h-j) ACNTP表面的-COOH與 Li2Sn(n=1, 2, 4)相互作用的示意圖，插圖為其差分電荷密度圖。

(k) ACNTP表面嫁接-OH結構示意圖。

(l-n) ACNTP表面的-OH與 Li2Sn(n=1, 2, 4)相互作用的示意圖，插圖為其差分電荷密度圖。

圖5. 充放電前后的ACNTP形貌表征及分子動力學模擬結果

(a) ACNTP；(b, c) 經循環充放電后ACNTP的TEM圖像。

(d) 用分子動力學模擬得到的LiTFSI/Li2S4混合物模型。

(e) 均方位移（MSD）隨時間的變化圖。

(f) Li+在TFSI-之間以跳躍的方式進行擴散。

【小結】

這項工作通過簡單的酸處理在碳納米管紙表面引入了-COOH和-OH基團，并在酸性基團的誘導下使電解質溶液中的DOL發生陽離子聚合反應，原位生成了柔性、可自愈的固態電解質薄膜。這種固態電解質薄膜能將可溶性多硫化物限制在正極室內，有效抑制了穿梭效應，從而提高了鋰硫電池體系的循環穩定性和庫侖效率。該固態電解質不僅可以用于隔離鋰硫電池中的多硫離子于正極區，還能對負極的金屬鋰起到保護作用，從而提高電池的安全性。