张山青/林展教授Nano Energy：Ni/SiO2/Graphene改性隔膜作为先进锂硫电池多功能屏障- 大数跨境

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张山青/林展教授Nano Energy：Ni/SiO2/Graphene改性隔膜作为先进锂硫电池多功能屏障

科学材料站

2020-07-10

导读：作者开发了一种嵌入二氧化硅纳米球中的Ni纳米粒子，该纳米球与石墨烯混合，然后作为一种高效的锂多硫化物封闭层涂覆在分离器上。Ni/SiO2/Graphene改性分离器能够通过二氧化硅和Ni原子对LiPS

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通讯作者：张山青*、林展*

单位：格里菲斯大学

导读

锂硫电池以其高能量密度、低成本等优点，被公认为最具发展前景的下一代储能装置之一。然而，由于多硫化物穿梭效应的存在，导致了活性物质的损失和循环效率低下等一系列问题，阻碍了其在实际中的应用。

基于以上现状，格里菲斯大学的张山青教授和广州工业大学林展教授等在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Ni/SiO2/Graphene-modified separator as a multifunctional polysulfide barrier for advanced lithium-sulfur batteries”的论文。Chao Chen为本文第一作者。

图1. 图片概要

在此，作者开发了一种嵌入二氧化硅（Ni/SiO2）纳米球中的Ni纳米粒子，该纳米球与石墨烯混合，然后作为一种高效的锂多硫化物（LiPSs）封闭层涂覆在分离器上。Ni/SiO2/Graphene改性分离器能够通过二氧化硅和Ni原子对LiPSs的亲和力锚定LiPSs，并通过丰富的Ni催化位点实现LiPSs与Li2S2/Li2S的快速转化。

Ni/SiO2纳米球的介孔空心结构也有利于Li+的扩散。结果表明，采用Ni/SiO2/石墨烯改性隔膜的Li-S电池具有稳定的循环性能（100次循环后比容量为922mah g-1，循环衰减率为0.28%），库仑效率约为100%，高倍率性能（2 C时为782mahg-1）。作者的工作提供了一个有效的策略，以建立一个多功能分离器的高度稳定的锂-硫电池。

背景简介

1. 锂硫电池隔膜介绍

锂硫电池作为最有前途的下一代储能装置之一，受到了广泛的关注。中间可溶性多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应是其商业化的最大障碍。传统锂硫电池中的商用聚丙烯隔膜用于隔离正负极，为锂离子提供扩散通道，但不能阻挡锂硫电池的穿梭。近年来，研究人员对该隔板器进行了一系列的研究，以获得理想的LiPSs封闭层。关于分离器的大量研究工作致力于以下两个方向：寻找新型分离器或改进商用分离器。一些报道的新型分离器只能阻断LiPSs的扩散路径，但溶解在电解液中或积聚在分离器上的LiPSs很难参与后续的电化学反应，导致硫利用率低。

2. 应对锌离子负极挑战的研究

与寻求新型分离器相比，对商品分离器的改造由于其操作简单、实用性强而得到了更广泛的研究。一般来说，改性的分离器由于其良好的导电性而与碳材料相结合，纳米结构的碳材料可以物理地阻止LiPSs并进一步利用它们。然而，非极性碳材料与极性脂肪酶的亲和力差，不足以抑制脂肪酶在循环过程中的穿梭。一些极性氧化物被引入分离器中，通过物理化学相互作用有效地固定化脂质。然而，大多数导电性差的氧化物都存在LiPSs转化反应动力学缓慢的问题。因此，具有催化转化作用的材料，如金属和金属氮化物，已与氧化物结合，以构建提高LiPSs转化率的双功能化合物。此外，在循环过程中，改性层往往会阻碍锂离子的扩散，对锂硫电池的循环稳定性产生负面影响。综上所述，探索结合LiPSs优良的导电性、强的锚定性、LiPSs的快速转化和快速的Li+扩散速率等优点的改性分离器，是有效提高Li-S电池电化学性能的一个有希望的方向。

核心内容

在本论文中，作者将介孔镍/二氧化硅空心球与石墨烯相结合，来建构一个多功能的高性能锂-硫电池隔膜。Ni/SiO2空心球由大量的二氧化硅纳米片组成，其中大量的金属Ni纳米颗粒均匀分散。

通过实验研究和理论研究，发现多孔二氧化硅纳米片可以吸附LiPSs，分散性好的Ni纳米颗粒不仅与LiPSs有很强的化学作用，而且在循环过程中加速了氧化还原动力学。石墨烯构建了良好的导电网络，促进了Li2S沉淀的氧化还原动力学。优良的地锚转换功能和完善的导电网络，保证了低渗透、高硫利用。

此外，Ni/SiO2空心球的介孔结构保证了Li+的快速扩散，因为丰富的介孔有利于电解液的渗透和保留，有效地补偿了石墨烯层引起的Li+缓慢扩散。

因此，采用镍/二氧化硅/石墨烯（简化为镍/二氧化硅/石墨烯）涂层分离器的锂-硫电池显示出优异的电化学性能，包括优异的循环稳定性（0.2 C下100次循环后为922 mAh G-1，1 C下300次循环后为772 mAh G-1）和倍率能力（0.1 C下为1463 mAh G-1，2 C下为782 mAh G-1）。

根据以上分析和实验结果，作者认为功能分离器所需的材料必须具备以下条件：（i）与LiPSs的亲和力强；（ii）加速氧化还原动力学的催化作用；（iii）Li+的快速扩散；以及（iv）良好的导电性，以充分利用活性材料。这项工作为今后设计高性能锂硫电池的功能隔板铺平了道路。

图二.

(a) The initial three CV scans of the cell with the Ni/SiO2/G-modified separator in the voltage range of 1.5–2.8 V vs. Li/Li+ at the scan rate of 0.1 mV s−1. (b) CV curves of cells with different configurations. (c) Rate performance of cells with pristine separator, and graphene-, SiO2/G-, and Ni/SiO2/G-modified separators under various current rates. (d) Charge/discharge profiles of cells with pristine separator, and graphene-, SiO2/G-, and Ni/SiO2/G-modified separators at current rate of 0.2 C.

文章链接:

Ni/SiO2/Graphene-modified separator as a multifunctional polysulfide barrier for advanced lithium-sulfur batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520306108#!

导师简介:

张山青教授

Prof. Eddie Shanqing Zhang obtained his PhD degree in electrochemistry in 2001 at Griffith University, Australia. Since then, he has worked as a research fellow during 2001–2006, senior research fellow during 2007–2009 and associate professor at Centre for Clean Environment and Energy and Griffith School of Environment, Griffith University during 2010-2015. As a core inventor, Dr. Zhang has developed a series of patented and commercialized technologies for environmental monitoring based on functional nanomaterials. He was awarded Australia Research Council Future Fellow for 2009-2013. Currently, Prof. Zhang is mainly engaged in the research on design and synthesis of functional nanomaterials and polymers (binders and solid polymeric electrolyte) for energy conversion and storage devices, as well as the development of intelligent online and/or onsite sensors for environmental monitoring. He has published ca. 160 reputable papers with H-index of 50and delivered numerous Keynotes and invited lectures. 。

林展教授

林展，广东工业大学轻工化工学院特聘教授，博士生导师，国家高层次人才，主要从事新能源材料与器件的设计合成及相关基础研究。迄今为止，在电化学及材料化学领域内顶级杂志共发表学术论文56篇，其中以第一作者/通讯作者身份发表了12篇影响因子大于10的论文（7篇为归国后作为独立课题组负责人发表），包括Energy Environ. Sci.(IF = 29.518),Nat. Commun.(IF = 12.124),J. Am. Chem. Soc.(IF = 13.858),Angew. Chem. Int. Ed.(IF = 11.994),Adv. Energy Mater.(IF = 16.721),Adv. Funct. Mater.(IF = 12.124)等，申请美国专利和中国专利各3项，发表3章节英文著作，研究成果被世界上30多个国家和地区的同行引用>3500次，h-index = 30。