中空多壳层结构TiN修饰隔膜对锂硫电池性能的增强

作     者：徐伟 毕如一 杨梅 王江艳 于然波 王丹 Wei Xu;Ruyi Bi;Mei Yang;Jiangyan Wang;Ranbo Yu;Dan Wang

作者机构：中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室北京100190 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 中国科学院大学化学工程学院北京100049 生物药制备与递送重点实验室(中国科学院)北京100190 

出 版 物：《科学通报》 (Chinese Science Bulletin)

年 卷 期：2024年第69卷第16期

页      面：2298-2307页

核心收录：

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金(21820102002 52261160573)资助 

主　　题：中空多壳层结构 氮化钛 隔膜修饰 锂硫电池 穿梭效应 

摘      要：锂硫电池(lithium-sulfur(Li-S)batteries)具有远高于锂离子电池的理论比容量.然而,硫的导电性差,充放电过程中体积变化剧烈,其放电中间产物易溶于电解液并穿过隔膜,造成穿梭效应,导致锂硫电池的实测比容量低、循环寿命短.本文设计构筑了中空多壳层结构氮化钛(TiNHoMS),作为锂硫电池隔膜修饰材料,有效解决了上述难题.氮化钛具有优异的导电性,能够催化硫和多硫化锂的氧化还原转化.HoMS具有多个壳层和多层内部空腔,能提供多重空间阻隔和丰富的多硫化锂吸附位点,从而有效抑制穿梭效应,并且能够缩短电子/离子传输路径.得益于此,采用三壳层TiNHoMS修饰隔膜的锂硫电池性能显著提高,远优于采用未修饰隔膜电池的性能.测试结果表明,在1 C电流下,初始比容量由642 mAh/g提高到1134 mAh/g,而且300次循环后比容量仍保持在792 mAh/g.通过一系列电化学表征分析发现,TiNHoMS提高了隔膜对电解液的浸润性,催化了硫正极的氧化还原反应,抑制了多硫化锂的穿梭效应,从而有效地提高了锂硫电池的比容量和循环稳定性.