陶涛&Ying Chen教授 ACS NANO: 超长寿命柔性锂硫电池:锂布负极和聚砜功能化隔膜- 大数跨境

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陶涛&Ying Chen教授 ACS NANO: 超长寿命柔性锂硫电池:锂布负极和聚砜功能化隔膜

科学材料站

2021-01-16

导读：该工作报道了由超稳定锂布负极、聚砜功能化隔膜和自支撑硫/石墨烯/氮化硼纳米片正极组成的柔性锂-硫全电池。

文章信息

超长寿命柔性锂硫电池:锂布负极和聚砜功能化隔膜

第一作者：余宝智

通讯作者：陶涛*， Ying Chen*

单位：Deakin University, Institute for Frontier Materials; Guangdong University of Technology

研究背景

随着柔性可穿戴电子产品的不断发展，人们对高性能柔性储能器件的需求也越来越强烈。锂硫电池具有高能量密度，低成本等优点，使其作为柔性电子产品电源显示出巨大潜力。然而，高性能柔性锂硫电池不仅要求电池中所有部件在承受机械形变包括弯曲、折叠或拉伸状态下也应保持高性能，同时还要求锂硫电池具有长的循环寿命。因此需要对电池中的部件包括锂负极、隔膜和硫正极同时进行优化，才能得到性能优异的柔性锂硫电池。

文章简介

近日，澳大利亚迪肯大学前沿材料所Ying Chen教授团队和广东工业大学陶涛副教授团队在知名期刊ACS Nano上发表题为“An Ultra-Long-Life Flexible Lithium-Sulfur Battery with Lithium Cloth Anode and Polysulfone-Functionalized Separator”的研究工作。

该工作报道了由超稳定锂布负极、聚砜功能化隔膜和自支撑硫/石墨烯/氮化硼纳米片正极组成的柔性锂-硫全电池。用亲锂三维MnO2纳米片装饰的碳布不仅为锂负极提供了优良的柔韧性，而且限制了循环过程中锂枝晶的生长。同时，通过相转化策略，用聚砜(PSU)使商业隔膜功能化，从而提高其热稳定性并优化了孔径。

由于聚砜功能化隔膜和氮化硼-石墨烯夹层的协同作用，多硫化物的穿梭被显著抑制。由于同时有效地控制了穿梭效应和锂枝晶的形成，柔性锂硫全电池表现出了优异的机械柔韧性和出色的电化学性能。其在折叠状态下具有800次超长使用寿命和5.13 mAh cm−2的高容量。

本文要点

要点一：设计了具有高稳定性和优异机械性能的锂布负极。

首先在碳布中的碳纤维表面构建三维MnO2纳米材料。三维MnO2纳米材料不仅为碳布提供了良好的亲锂性，同时也提高了材料的表面积。随后，通过熔融金属锂浸润法将金属锂置于功能化碳布表面。实验结果与多物理场模拟结果均表明三维MnO2纳米结构能够有效抑制锂沉积过程中枝晶的生长。另一方面，碳布有助于锂负极柔韧性的提升。

要点二：利用聚砜对商用隔膜进行功能化来抑制多硫化物的穿梭效应。

通过相转换法将聚砜置于商用隔膜孔结构中。聚砜功能化后的隔膜具有更好的热稳定型。同时，较小的孔径能够防止多硫化物的穿梭。

要点三：超长寿命柔性锂硫全电池的制备。

使用锂布作为负极，聚砜功能化Celgard 2400作为隔膜，具有氮化硼纳米片保护层的石墨烯/硫作为正极，成功组装出锂硫软包全电池。该电池在弯折条件下能够稳定循环800次，并且容量保持在初始容量的60%以上。该电池也成功点亮多个LED灯泡，电子手表和一个带有单片机的LED显示屏。

文章链接

An Ultra-Long-Life Flexible Lithium-Sulfur Battery with Lithium Cloth Anode and Polysulfone-Functionalized Separator

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08627

通讯作者介绍

陶涛，广东工业大学材料与能源学院副教授

主要研究方向为纳米储能材料的制备、结构和性能，储能器件的设计和构造。曾在澳大利亚国立大学和迪肯大学学习和工作（2008年10月-2015年1月）。本、硕、博均毕业于中南大学。在知名学术期刊上发表论文70 多篇，申请了中国发明专利多项。

Ying Chen 教授

澳大利亚迪肯大学Alfred Deakin终身讲席教授，前沿材料研究院纳米科技首席教授。澳大利亚新安全可靠的能源存储和转换技术研究中心主任 (Director, Australian Research Council’s Research Hub in New Safe and Reliable Energy Storage and Conversion Technologies)。1986毕业于清华大学工程物理系﹐1992 年获得法国巴黎南大学化学博士。1993-2008 在澳大利亚国立大学 (ANU) 物理研究院从事纳米材料研究。陈教授在国际一流刊物上发表期刊论文350余篇（其中100 篇发表在Nature子刊, Adv Mater., JACS, Nano Lett. 等影响因子10 以上期刊)﹐获授权专利8项，出版科学专著10部。学术论文引2万次， H因子 (h-index) 70。https://orcid.org/0000-0002-7322-2224.