北大周恒辉课题组在长寿命锂硫电池方面取得重要进展
锂/硫电池理论容量高（1673 mAh/g），约为传统锂离子电池容量的8倍，同时其活性材料硫储量丰富，是最具发展潜力的高能化学电源体系，有望解决新能源汽车的“里程焦虑”难题。目前，锂/硫电池面临的一个较大的问题就是在充放电过程中，产生的可溶性多硫化物，在正负极之间的穿梭效应。这种多硫化物的穿梭效应会导致电池库伦效率的降低、活性材料的损失以及容量的迅速衰减。
北京大学化学与分子工程学院周恒辉课题组与耶鲁大学化学院王海梁课题组合作，致力于解决锂/硫电池中多硫化物的穿梭效应的问题，取得了一系列重要进展。极性材料在固硫方面表现出较好的效果，但是其固硫机理难以确定，他们提出了采用金属有机小分子二茂铁作为固硫材料（图1），实现了锂/硫电池长达550次的平稳循环，并结合XPS分析与DFT计算，证明了二茂铁的固硫机理为茂环与锂的作用（Angew. Chem., 2016, 128, 15038.）。电池的性能不仅与固硫材料对多硫化物的亲和力有关，固硫材料的本体导电性也非常重要。因此，他们提出采用半金属导体金属磷化物与碳纳米管的复合物作为硫正极中的添加剂，提高硫正极的导电性、缓解多硫化物的穿梭效应并促进多硫化物的氧化还原动力学，实现了锂/硫电池长达1100次的长循环（Nano Research, 2017, accepted）。
图1. 二茂铁与石墨烯的复合物的结构（上左）、DFT计算结果（上右）以及锂/硫电池循环性能（下）。
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最近，他们发展了一种超薄氧化石墨烯与与聚酰胺-胺型树枝状高分子的复合膜，用于硫正极的保护，有效提高了锂/硫电池的长循环稳定性（图2）。该保护膜是将氧化石墨烯与高分子材料相融合制成凝胶状材料，涂抹在硫正极表面，形成100 nm左右的薄膜，并且由于该薄膜轻薄的特质，其对电池的能量密度几乎没有任何影响。更重要的是，这种复合薄膜几乎可以与任何硫正极相融，达到保护硫正极的效果，例如二茂铁与多孔碳的复合物作为基底材料的硫正极（J. Mater. Chem. A, 2017, accepted）。部分工作于2017年3月20日在线发表于PNAS上（DOI:10.1073/pnas.1620809114 ）。
图2. 高分子材料的结构（上左）、DFT计算结果（上右）以及锂/硫电池循环性能（下）。
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该系列工作均由2012级博士生米英英和刘文博士（周恒辉组2013年的毕业生，现为北京化工大学教授）等为共同一作。相关工作得到了北大先行科技产业有限公司、国家留学基金委、耶鲁大学等相关项目的资助。
来源：北京大学化学与分子工程学院
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