硫正极中硝酸盐和黏结剂的种类对锂硫电池性能的影响

曾芳磊， 李 宁， 周心宇， 常世晔， 袁宁一， 丁建宁,2

(1. 常州大学 材料科学与工程学院， 江苏 常州 213164； 2. 江苏大学 智能柔性机械电子研究院， 江苏 镇江 212013)

锂硫电池由于具有理论比容量高(2 600 W·h/kg)、价格低廉、环境友好等优势，被认为是下一代最具发展潜力的高比能量电池体系之一，近年来受到研究者们的广泛关注[1-3]。但是由于锂硫电池的充放电中间产物-多硫化锂极易在电解液中溶解和扩散，导致锂硫电池存在非常严重的“穿梭效应”[4-6]，使得其循环寿命短，阻碍了它的规模化应用。

为了解决锂硫电池的“穿梭”问题，在电解液中添加硝酸锂(LiNO3)是目前最为常用的办法[7]。研究发现，在循环过程中电解液中的硝酸锂会在锂片表面形成一层致密的钝化层(LixNOy)[8-9]，阻止了多硫化物和锂金属的反应，抑制穿梭效应并延长电池的循环寿命和提高电池的库伦效率。不过，在循环过程中硝酸锂的分解反应不可逆，当电解液中的硝酸锂被消耗殆尽时，电池会表现出明显的穿梭效应[10-12]。因此，不少研究者们开始寻找其他无需硝酸锂的电解液[13-15]，不过目前所取得的进展有限。而ZHANG[10]发现在正极部分加入适量不溶于电解液的硝酸盐可在一定程度上抑制穿梭效应，并且若同时使用含硝酸锂的电解液，硝酸锂与正极中的不溶性硝酸盐的协同作用不但可以在金属锂片表面形成稳定的钝化层(SEI)进而抑制穿梭效应，而且还可以催化中间产物多硫化锂(Li2Sn)向单质硫转化进而抑制穿梭效应。随后GUAN等[16]在常用隔膜朝向硫正极的一面涂覆了一层混有硝酸盐和氧化铝、导电碳的涂层，隔膜中掺入的硝酸盐可补充循环过程中被消耗的硝酸根，维持整体硝酸根离子浓度的平衡，进而抑制穿梭效应的发生。……