我校在锂-硫电池研究领域取得重要进展
锂离子电池中的正极材料一直是制约电池发展的瓶颈，尤其无法满足诸如长距离电动汽车等需要的更大能量密度要求。因此，科学家们将目光投向了新型二次电池体系——碱金属-硫电池（锂-硫或室温钠-硫电池）身上，锂-硫或室温钠-硫电池是以碱金属锂或钠作为负极，单质硫或硫基复合材料作为正极的二次电池，其理论比容量为1675 mAh/g，理论能量密度为2600 Wh/kg，是商业锂离子电池用钴酸锂（理论能量密度360 Wh/kg）的7倍，且单质硫价格低廉、产量丰富、安全无毒和环境友好，因此以锂-硫电池为代表的碱金属-硫电池被认为是最有发展前景的新一代电池。
目前锂-硫电池面临的主要问题有：(1)单质硫在室温下为电子和离子绝缘体，制作电极时需添加大量的导电剂，致使电极体系的能量密度降低；(2)单质硫通常以S 8 分子形态存在，在放电过程中会被还原成易溶的多硫化物（Li 2 Sx, 4≤x≤8），造成活性物质流失，并且多硫化物溶于电解液后，会增大电解液浓度，恶化其离子导电性；(3)溶于电解液的多硫化物进一步扩散到负极，直接与负极的金属锂接触，发生自放电反应，即产生所谓的“穿梭效应”；(4)充放电过程中硫电极会发生相应的收缩和膨胀，一定程度上破坏电极的物理结构。这些问题均制约了硫正极材料的电化学性能，导致锂-硫电池活性物质利用率低、电化学可逆性差以及容量衰减快等。因此, 如何提高硫的导电性、适应硫的体积膨胀以及消除多硫化物的溶解是实现高性能锂-硫电池的关键。
针对以上挑战，我校材料学院杨俊和教授与郑时有教授为首的研究团队近期利用纳米碳材料（石墨烯和微孔碳等）特殊的结构和性能，如优越的导电性、良好的化学稳定性和热稳定性、大的比表面积、丰富的纳米孔/层结构等特点，在微观尺度上构筑碳/硫复合电极材料，有效地增加了硫的导电性并限制了多硫化物的溶解，制备出一系列高性能碳/硫复合正极材料，获得性能优异的锂-硫电池，受到国内外同行和产业界广泛关注。
研究开发了高温真空制备与传统锂离子电池电解液兼容的高稳定锂-硫电池正极材料，实现小分子硫在微孔碳和膨胀石墨的纳米孔道/层间中担载与限制，在锂-硫电池中显示较好的倍率特性和循环稳定性能。研究成果以“In-situ sulfur reduction and intercalation of graphite oxides for Li-S battery cathodes”和“High performance C/S composite cathodes with conventional carbonate-based electrolytes in Li-S battery”为题分别在影响因子为15.23的《先进能源材料》（Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.201400482）和Nature旗下刊物《科学报告》（Scientific Reports，DOI: 10.1038/srep04842）上发表。
研究中首次提出了金属铜纳米颗粒辅助稳定硫的策略来构建“三维混合导电网络”结构的复合电极材料，即结合铜良好的导电性能和对硫的稳定作用，成功制备出高稳定的多孔碳/纳米铜/硫复合电极材料，在锂-硫电池和钠-硫电池中显示出优异的电化学性能。相关研究成果以“Copper-stabilized sulfur-microporous carbon cathodes for Li-S batteries”为题发表于影响因子为11.382的《先进功能材料》（Advanced Functional Materials，DOI: 10.1002/adfm.201304156），以及再次发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.201400226）题名为：Nano-copper-assisted immobilizing sulfur in high-surface-area mesoporous carbon cathodes for room temperature Na-S batteries的论文。由于在多孔碳中引入纳米铜粒子，可以与硫之间形成稳定的化学结合作用，铜粒子与孔性碳对硫的协同作用，在硫担载量高达50 %时，多孔碳/纳米铜/硫电极在锂-硫电池中显示出优异的综合电化学性能，这种新颖的结构设计为稳定化硫和提高硫电极材料的导电性提供了一种新的思路。
与美国马里兰大学王春生教授合作，开发了一种原位制备硫化锂/微孔碳复合电极材料的新方法，即通过高温真空法预先合成硫/微孔碳复合材料后再导入锂源，在电池装配过程完成原位的锂化反应，实现商用锂离子电池的电解液在锂-硫电池中的使用，因此，该方法可满足现有锂离子电池生产工艺需求，并与国际著名电池企业SAFT公司开展相关技术合作。研究成果以“In-situ formed lithium sulfide/microporous carbon cathodes for lithium-ion batteries”为题发表于影响因子为13.334的《ACS纳米》（ACS Nano，DOI: 10.1021/nn404601h）上。
相关研究成果目前已申请国家发明专利6项，获授权2项。后续相关研究工作先后在《ACS纳米》（ACS Nano）、《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）和《ACS应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）等刊物上发表。研究工作已获得2项国家自然科学基金面上项目，以及上海市科委基础研究重点项目、国际合作项目、浦江人才计划项目等支持。这些成果发表一年内已获得国际他引500多次，单篇他引达到88次，并且吸引了多家电池企业和投资基金来校商谈产业化。
供稿：材料学院
编辑：新闻中心 王丹