科学家制造出用于高性能锂硫电池的双功能复合材料

华南师范大学和苏州大学的研究人员报道了一种新型双功能锂硫电池隔膜(CC-rGO/AB/PP)，该隔膜源自极压(1Pa，-50C)下的新型合成方法，可促进更高效的Li-S电池以简单的方式。

对储能的需求不断增加，尤其是对电动汽车和电站的需求，需要更高能量的储能电池。锂硫(Li-S)电池理论上的能量容量远超锂离子电池，因此备受关注。

然而，由于多硫化锂(LiPSs)在放电过程中溶解并渗透到阳极并导致内部短路的穿梭效应，实际寿命和转换效率会显着降低。虽然有隔膜抑制穿梭效应的技术，但大多还是要牺牲其他性能指标，比如锂离子传输能力。

发表在《国际极限制造杂志》上，由李维山教授和李友勇教授领导的团队制造并研究了层状N,O-羧甲基壳聚糖还原氧化石墨烯乙炔黑/聚丙烯(CC-rGO/AB/PP)隔膜.

还原氧化石墨烯(rGO)是一种用于提高锂硫(Li-S)电池性能的常用材料，但其传统合成方法通常涉及高温和复杂的化学过程。此外，rGO的折叠和紧凑的多层结构由于表面积小而不利于锂离子传输。

研究表明，rGO可以通过还原基团的诱导还原得到，并通过插入大分子分离成单分子层。值得注意的是，该反应促进外部“化学部件”自动组装到材料表面，也称为自组装。同时，材料中的杂原子对于提高电池性能至关重要，因为它们可以提供具有双重功能的活性位点，即排斥LiPS和转移Li+。

为了充分利用所有这些特性，将自组装和冷冻干燥技术合并为一种合成化学修饰的rGO单层的新方法，由于极端的冷冻干燥条件加速了GO和杂原子修饰。该合成排除了类似工作中提到的有毒有机溶剂，并使用环保的N,O-羧甲基壳聚糖(CC)为氧化石墨烯(GO)提供还原基团和杂原子。

随后，将CC-rGO与乙炔黑(AB)混合，并将混合物涂覆在聚丙烯(PP)膜上，制成隔膜CC-rGO/AB/PP。因此，使用新型隔膜的锂硫电池不仅完全抑制了LiPSs，而且表现出相当可观的Li+传输，使其能够与该领域以往的最佳成绩竞争甚至超越。这不仅可以提供一种环境友好的GO还原方法，还可以为设计和商业化生产用于高性能锂硫电池的新型隔膜提供新思路。

华南师范大学课题组组长李维山教授表示，“为了抑制多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应，已经提出了很多策略。早期的策略是开发硫的宿主，它可以物理吸附LiPSs，如碳管、碳球和还原氧化石墨烯，或化学吸附LiPSs，如金属氧化物、氮化物和硫化物。最近，使用与LiPSs表现出强亲和力的改性催化剂来加速S8和Li之间的转化动力学2S也得到广泛关注。”

他指出，“这些努力在一定程度上提高了锂硫电池的性能，但无法完全避免LiPSs的溶解。作为应对措施，通过涂覆能够阻止LiPSs渗透的材料来改性隔膜，一直是“用于抑制LiPSs的穿梭效应。这些隔膜似乎有效地阻止了LiPSs的渗透，但其他材料的引入也可能阻碍锂离子传输。”

“我们的工作旨在寻找能够满足双方需求的涂层材料，即既抑制LiPS渗透，又有利于锂离子传输以改善Li-S电池，”李维山教授说。

“实际上，从氧化石墨烯(GO)合成还原氧化石墨烯(rGO)的过程是将含氧基团转化为游离水。当我们在实验中将可能促进转化的碱性水溶液滴入GO溶液中时，我们偶然发现GO也自组装在一起。这一事故启发了我们设计在极端条件下合成N,O-羧甲基壳聚糖还原氧化石墨烯(CC-rGO)的方法，”第一作者姜志斌博士解释说。

研究团队还对新型隔膜优异性能的微观机制感兴趣，尤其是CC-rGO的贡献。姜志斌博士说，“一个直觉的想法是比较完全放电和充电状态下隔膜中的化学结合。”

不出所料，实验中在完全放电状态下独特地检测到LiPSs与杂原子之间的结合信号和CC-rGO的稳定结构信号，这证实了CC-rGO的主要贡献和稳定性。结合苏州大学李友勇教授课题组提供的理论模拟，进一步阐明了杂原子的作用以及CC-rGO为LiPSs提供的明显强于传统材料的相互作用。

姜志兵博士说：“这是一个综合考虑性能、成本和绿色性的进步，所制造的层状CC-rGO复合材料有望大规模应用于高性能锂硫电池。”

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