與現有鋰離子電池體系相比，鋰硫電池具有更高的理論能量密度、更低的成本和環境友好等優勢，是下一代高比能電池體系的理想候選之一。硫（S8）是典型的陰離子變價的轉換反應正極材料，優點是理論容量高，但缺點在于電化學反應的中間態產物多硫化鋰極易溶于醚類電解液，穿梭到金屬鋰負極發生不可逆反應，被稱為“穿梭效應”，是限制鋰硫電池循環壽命的最重要原因。同時，在放電過程中，液態的多硫化鋰會形成Li2S絕緣層覆蓋在正極表面，阻礙電子和離子的傳導，使電池的倍率性能下降。因此，解決這些問題的關鍵在于有效控制多硫化鋰的遷移。

 

      中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源重點實驗室E01組索鎏敏副研究員與美國麻省理工學院李巨教授和薛偉江博士合作，在前期“嵌入-轉化”混合電極大幅提升鋰硫電池單體能量密度研究基礎上（Nature Energy，4, 374–382，2019），首次開發了一種同時具有高電子-離子電導和電化學活性的Chevrel相Mo6S8隔膜多功能涂層，成功解決了上述問題，并將其應用到鋰硫軟包電池的研究中。

 

      該新型涂層成功抑制了Li2S絕緣層的形成，實現了傳統硫正極的超快速充放（25分鐘充滿/放空）。該涂層對多硫化鋰具有很強的吸附力，成功地阻止了多硫化鋰向鋰負極一側的“穿梭”，實現了工業級高負載硫正極的長壽命循環。更重要的是，不同于傳統非活性涂層會降低全電池能量密度，該新型涂層可以匹配壓實后的硫正極，使能量密度提高20%以上。同時，研究者們與美國布魯克海文國家實驗室合作，利用目前世界上最先進的同步輻射全場X射線掃描成像技術（Full Field X-ray Tomography FFXT），首次在實際電池運行過程中研究了該涂層材料的演化機理。此外，軟包電池的性能測試進一步表明，該多功能涂層的使用可以將循環壽命提高一倍以上，對推動鋰硫電池商業化具有非常重要的意義。該研究結果近日發表在Cell旗下全新材料類旗艦期刊Matter上，文章題目為“Manipulating sulfur mobility enables advanced Li-S batteries”。

 

      相關工作得到了科技部重點研發計劃（2018YFB0104400）、國家自然科學基金委（51872322）等的支持。

 

圖 1. PP@LixMo6S8相關性質表征及其在鋰-硫電池中工作原理示意圖

圖 2. PP@LixMo6S8多功能隔膜的原位電化學三維射線成像（In-situ 3D tomography）

圖 3.PP@LixMo6S8功能隔膜在扣式鋰-硫電池中電化學性能

圖 4. PP@LixMo6S8功能隔膜與涂覆碳PP@C隔膜對比圖

圖 5. 采用PP@LixMo6S8功能隔膜的軟包電池電化學性能