南开大学牛志强、王一菁研究员联合清华大学张强教授通过隔膜改性,将氮化铟纳米线引入到锂-硫电池中,双功能的氮化铟性隔膜犹如“竖起”的高墙,有效地抑制锂硫电池“穿梭效应”,实现了电池循环寿命显著提升。相关成果已在12月的《美国化学学会·纳米材料》上发表。

锂离子电池已经得到广泛的应用。然而现行锂离子电池的能量密度依然不足以满足许多应用需求,而锂-硫电池由于具有极高的理论比容量,并且硫含量丰富,价格低廉而备受关注。但锂-硫电池在其在电化学过程中,在硫正极和锂负极之间溶解的多硫化物引起的“穿梭效应”及其动力学转化缓慢严重降低了活性硫的利用率,从而导致容量的快速衰,大大降低了锂-硫电池的使用寿命。“所谓‘穿梭效应’,指的是在充放电过程中,正极产生的多硫化物中间体溶解到电解液中,并穿过隔膜,向负极扩散,与负极的金属锂直接发生反应,最终造成了电池中有效物质的不可逆损失、电池寿命的衰减、低的库伦效率。”牛志强介绍,目前,人们已经采取各种方法去改善上述问题,其中最普遍的策略是采用具有高比表面积的纳米结构碳材料,通过物理限制作用进行多硫化锂的捕获;或是使用极性材料通过化学相互作用进行多硫化锂的捕获。

尽管如此,但碳的非极性通常导致循环性能不佳,极性材料的低电导率导致硫的利用率低,倍率性能差。因此有必要开发一种简单但可以显著提高硫正极的循环性能,同时保持良好倍率性能的有效材料制备方法,这对于实现长循环寿命的锂硫电池来说是十分重要的。“氮化铟的铟阳离子和富电子氮原子通过强的化学键合作用捕获生成的多硫化物;同时,氮化铟表面的快速电子转移提高了多硫化物的动力学转化过程,这样,双功能的氮化铟改性隔膜犹如一道墙,可有效地抑制锂硫电池中的‘穿梭效应’。”牛志强介绍,具有氮化铟改性隔膜的锂-硫电池表现出优异的倍率性能和循环性能,在1000次循环后每个循环的容量衰减仅有0.015%,该研究为下一步开发高稳定性锂-硫电池奠定了基础。