近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張躍鋼課題組自主研發(fā)設(shè)計了原位掃描/透射電鏡電化學(xué)芯片，實現(xiàn)了其對硫化鋰（Li2S）電極充電過程的實時觀測；在充分理解Li2S充放電機理的基礎(chǔ)上設(shè)計了高氮摻雜石墨烯負載硫化鋰材料作為電池正極，并通過控制充電容量和電壓，顯著提升了Li2S的容量利用率及循環(huán)壽命，相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Energy Materials雜志上。

隨著社會和科技的發(fā)展，人類對電化學(xué)儲能技術(shù)的需求日益增加，新興儲能系統(tǒng)——鋰硫電池具有理論容量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，備受國內(nèi)外研究者的關(guān)注。而研發(fā)高容量鋰硫電池正極材料，對推動新能源電動汽車、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。

硫化鋰（Li2S）材料理論容量高達1166 mA h g-1，是其它過渡金屬氧化物和磷酸鹽的數(shù)倍；其首次脫鋰充電過程中所發(fā)生的體積收縮能給后續(xù)的嵌鋰放電反應(yīng)提供空間，保護了電極結(jié)構(gòu)不受破壞；其可與非鋰金屬負極材料（諸如硅、錫等）組裝電池，有效避免鋰枝晶形成等問題所帶來的安全隱患，是極具發(fā)展?jié)摿Φ匿嚵螂姵卣龢O材料。然而，該材料電子／離子導(dǎo)電率低，反應(yīng)中間產(chǎn)物多硫化物在電解液中的溶解引發(fā)穿梭效應(yīng)等問題，限制了其在鋰硫電池中的實際應(yīng)用。

研究人員為提高鋰硫電池的容量利用率和循環(huán)壽命，通常會將硫填充至具有高比表面積和高導(dǎo)電性的多孔材料中（如：碳納米管，多孔碳，石墨烯和碳纖維等）。張躍鋼課題組在前期研究工作中發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯上引入氮摻雜官能團，不僅可以有效減少多硫化物在電解液中的溶解，而且可優(yōu)化多硫化物在沉積過程中的分布（Nano Letters，2014, 14, 4821?4827）。為了更好地改善Li2S的容量利用率以及循環(huán)壽命，該團隊利用原位表征技術(shù)研究了Li2S溶解和再沉積機理，進而提出將最初活化電池電壓調(diào)控到3.8 V，然后通過控制電壓（1.7~2.4 V）和充電容量可有效阻止長鏈可溶性多硫化物的形成，該充放電調(diào)控方法讓電極在充電過程中保留了一部分不可溶的Li2S作為種子，使得Li2S材料能夠有效地活化和均勻地再沉積。此外，該研究通過在氮化處理前的氧化石墨烯表面包覆葡萄糖，有效增加了石墨烯的折皺率和彎曲率，進而為多硫化物提供了更多的負載位點；反應(yīng)過程中利用氨水和高溫氨氣熱處理的方法使得氮摻雜量提高至12.2%；該高氮摻雜石墨烯材料不僅具有高導(dǎo)電性，其表面氮官能團更能有效減少多硫化物的溶解，優(yōu)化Li2S的均勻分布。利用該高氮摻雜石墨烯－Li2S復(fù)合正極材料所制備的鋰硫電池在2000圈（1C）循環(huán)后其容量仍能保持318 mA h g-1（按硫元素重量折算為457 mA h g-1），3000圈（2C）循環(huán)后仍能保持256 mA h g-1（按硫元素重量折算為368 mA h g-1），是迄今為止所報道的最長循環(huán)壽命。

該研究工作首次利用了新開發(fā)的原位掃描電鏡和原位透射電鏡芯片技術(shù)實現(xiàn)了對硫化鋰電極充電過程的實時觀測，并在研究Li2S充放電機理的基礎(chǔ)上，開發(fā)新的電壓－容量調(diào)控機制，設(shè)計了一種新型的高氮摻雜負載硫化鋰的電極材料，為高能量的Li2S-C /Li電池的應(yīng)用打開了廣闊的應(yīng)用前景。

該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、中國科學(xué)院千人計劃人才專項的大力支持。

負載于單層石墨烯電極表面的Li2S材料在LiTFSI-DOL/DME電解液中活化過程的原位觀測SEM圖