作者：2016級 宋韞瑋 化學(xué)工程系
指導(dǎo)老師：張強 化學(xué)工程系
關(guān)鍵字：鋰硫電池、氧化還原介體
摘要
本項目開發(fā)了一種半限域設(shè)計的鋰硫電池氧化還原介體，這種策略被證明能顯著增強氧化還原介體在硫正極中的介導(dǎo)效率，提升電池性能，并防止其在正負極之間的擴散。
研究背景
鋰硫電池由于具有超高的理論能量密度（2600 Wh kg−1），而被認為是理想的下一代儲能器件。然而，其正極活性物質(zhì)硫/硫化鋰室溫下電子導(dǎo)率極低（< 10−30 S cm−1），使得電極反應(yīng)需要在很大的過電勢下進行；正極反應(yīng)涉及到固–液–固的相轉(zhuǎn)變過程，中間產(chǎn)物多硫化鋰易溶、易擴散、易發(fā)生不可逆的沉淀，造成了反應(yīng)動力學(xué)上的緩慢和循環(huán)容量的不斷衰減。這些問題阻礙了鋰硫電池實際性能的進一步提升。氧化還原介體（Redox Mediator）作為一種可溶解的電化學(xué)活性添加劑，是克服鋰硫電池固有的液-固轉(zhuǎn)化動力學(xué)緩慢的問題，促進鋰硫電池實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的最有前途的方法。 然而，氧化還原介體的擴散問題和其對鋰負極的腐蝕通常限制了其活性的發(fā)揮并且不可避免地放大了正負極之間的穿梭效應(yīng)。
應(yīng)用效果
本項目開發(fā)了一種用于鋰硫電池的高分子基氧化還原介體，其中，可溶性氧化還原活性單體被高分子鏈半限域，以增強在硫正極中的介導(dǎo)效率并防止其在正負極之間的擴散。
憑借其適宜的氧化還原電位、高度的電化學(xué)可逆性和快速的反應(yīng)動力學(xué)，這種高分子基的氧化還原介體被證明能有效提升含硫物種的利用率并降低反應(yīng)過電勢。在正極中引入僅5 wt.%的該添加劑，就能使鋰硫電池的比容量從810 mAh g–1增加到超過1000 mAh g–1，且在超過300圈循環(huán)后仍然具有約 97.8％的高庫侖效率。通過引入這種添加劑，在鋰硫軟包電池中實現(xiàn)了391 Wh kg–1的能量密度，接近《中國制造2025》中對于動力電池能量密度在2025年達到400 Wh kg–1的要求，在國內(nèi)外的研究中亦居于領(lǐng)先地位。這種高分子基的氧化還原介體作為一種簡單、低成本、高兼容性的添加劑策略，不僅大大推動了鋰硫電池的性能提升與實際應(yīng)用，而且填補了對鋰–硫化學(xué)中傳質(zhì)、轉(zhuǎn)化和沉積行為的認識，啟發(fā)了對于高性能儲能器件的設(shè)計思路。
