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我所石墨烯氣凝膠應用于高體積比能量锂硫電池研究取得新進展

  近日,我所二维材料与能源器件创新特区研究组(DNL21T3)吴忠帅研究員团队发展了一种三维石墨烯/纳米碳管多孔气凝胶材料,并将其应用于锂硫电池的硫单质载体和中间层一体化正极,获得高体积能量密度和优异循环稳定性的锂硫电池。相关研究成果发表在《纳米能源》(Nano Energy)上。

  锂硫電池具有高質量理論能量密度(2600Wh/kg)和高體積能量密度(2800Wh/L),被認爲是一種非常有應用前景的高比能電池。但由于硫單質存在質量密度低(2.07g/cm3)、導電性差(5×10-30S/cm),以及充放電過程中活性物質體積膨脹大(78.7%)、多硫化物穿梭嚴重等問題,導致其雖然質量密度較高,但體積能量密度普遍較低、循環性能較差,這大大限制了锂硫電池的實際應用。因此,如何同時提高锂硫電池的質量和體積能量密度,並延長其循環壽命是目前锂硫電池應用研究的瓶頸之一。

  該研究團隊開發出一種三維石墨烯/碳納米管多孔氣凝膠材料,並同時將其應用于锂硫電池的硫單質載體和中間層,成功構築出自支撐、無金屬集流體的一體化正極材料。該一體化正極材料具有高的壓實密度、優異導電性、良好的機械柔性,不僅實現了高的體積硫載量(1.64g/cm3),顯著提高了锂硫電池的體積能量密度(1615Ah/L),而且有效地抑制了多硫化物穿梭的效應。在2C的大電流密度的條件下,電池能夠穩定循環500圈,且容量幾乎沒有衰減,表現出優異的循環穩定性。這種硫單質載體和中間層一體化正極結構的設計策略爲構建高體積能量密度、長循環壽命的锂硫電池提供了新的思路。

  上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。(文/图 石浩东、侯晓城)

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