ChemElectroChem：三维互联类石墨烯碳-金红石型二氧化钛改性隔膜 在锂硫电池中的性能研究

近日，南京工业大学吴宇平教授课题组制备了锂硫电池用改性隔膜，并研究了其在锂硫电池中的性能。研究表明，制备的改性隔膜能够同时抑制锂硫电池中的“穿梭效应”和金属锂负极腐蚀的问题。研究表明，制备的改性隔膜能够同时抑制锂硫电池中的“穿梭效应”和金属锂负极腐蚀的问题。

锂硫电池因其高的理论比容量(1675 mAh g^-1)和能量密度(2600 Wh kg^-1)以及活性硫材料具有易获得、成本低、环境友好等特点而受到人们广泛的关注，然而锂硫电池在充放电过程中会形成容易溶解于电解液中的多硫化锂（Li₂Sn， 4≤n≤8），会造成活性硫物质的大量损失，导致锂硫电池的容量迅速衰减。这就是锂硫电池中臭名昭著的“穿梭效应”，该效应还会导致穿梭的多硫化锂对金属锂负极造成严重的腐蚀，毫无疑问“穿梭效应”极大地降低了锂硫电池的使用寿命，阻碍了锂硫电池商业化的脚步。

现有的研究工作通常从锂硫电池正极材料改性的角度出发去解决锂硫电池中“穿梭效应”的问题，这些研究能够很大程度上抑制锂硫电池的“穿梭效应”，然而这些方法也有着成本高昂以及不能同时解决锂负极腐蚀的问题。因此，如果有一种简单易行的方法抑制锂硫电池中“穿梭效应”的同时也防止锂负极的腐蚀就能够很好的促进锂硫电池的商业化。

基于此考虑，作者从锂硫电池中简单易行的隔膜改性的角度出发。用模板法制备出了三维互联类石墨烯碳（GC）和球状金红石二氧化钛（T），在还原气氛下对制备的T进行还原制备了具有氧缺陷的球状金红石二氧化钛（OT）,把所得的OT和GC以一定比例在乙醇中超声混合，以商用锂硫隔膜（DKJ-20）为原隔膜，用真空抽滤法制备了改性隔膜(OTCD),同时也制备了GC改性隔膜（CD）和GC-T改性隔膜（TCD）作为对比。运用扫描电子显微镜表征制备的改性隔膜和循环之后的锂金属负极，用交流阻抗测试对比了制备的不同隔膜的离子电导率和在锂硫电池中的阻抗，通过公式计算对比了不同隔膜的活化能，测试了制备的改性材料对多硫化物（Li₂S₆）的催化效应以及在锂硫电池中循环伏安曲线、锂硫电池循环和倍率性能，用H型电池观察了OTCD对多硫化物的阻挡作用。

结果表明，OTCD隔膜在锂硫电池中能够很好地抑制“穿梭效应”，其装配的电池在1 C的电流密度下循环250圈，每圈仅仅衰减0.048%。装有OTCD隔膜的锂硫电池在1 C下循环50圈后的金属锂负极没有明显的腐蚀层，且通过EDS和XPS分析该金属锂负极上面没有对金属锂有腐蚀作用的副产物出现。这项研究为同时提升锂硫电池的安全性能和使用寿命的研究提供了新的见解。

图1 锂硫电池采用不同隔膜的部分性能：（a）循环性能及在1 C下循环50次后锂负极的SEM截面（b）OTCD和（c）DKJ-20

图2 OTCD隔膜在锂硫电池中对抑制多硫化物穿梭效应的原理示意图

论文信息

A Separator Modified with Rutile Titania and Three-Dimensional Interconnected Graphene-Like Carbon for Advanced Li−S Batteries

Shuang Xia, Wen Huang, Wenqi Yan, Xinhai Yuan, Xi Chen, Lili Liu, Lijun Fu, Yusong Zhu, Qinhong Huang, Prof. Yuping Wu, Teunis van Ree, Rudolf Holze

ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202200301