南京大学金钟教授课题组在耐高温、柔性可拉伸锂硫电池领域取得进展

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来源：南京大学科学技术处

随着便携式电子器件和智能穿戴设备的飞速发展，对柔性、高能量密度储能电池的研发备受关注。锂硫电池具有极限能量密度高（2600 Wh kg⁻¹）、环境友好、成本低等优势，在便携储能领域的应用前景广阔。与传统的刚性电池不同，柔性电池中所有的功能组分（包括正极、负极、电解液/隔膜、集流体、封装材料等）需要满足在柔韧性、电化学性能、安全性、耐温性等方面的高标准和良好兼容性。

针对这一问题，南京大学化学化工学院、介观化学教育部重点实验室、江苏省先进有机材料重点实验室金钟教授带领的“清洁能源材料与器件”研发团队设计和构筑了一种柔性可拉伸的锂硫电池。该电池拥有活性物质负载大（14 mg cm⁻²），面积容量大（11 mAh cm⁻²），耐高温（80 ^°C）等优势。电池整体拥有优异的力学性能，在拉伸至原始长度的4倍时仍可维持供电。相关研究成果以“Superstretchable, thermostable and ultrahigh-loading lithium–sulfur batteries based on nanostructural gel cathodes and gel electrolytes”为题发表在Nano Energy期刊上（DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105510）。

该电池由高弹性、高延展度的凝胶硫正极、凝胶电解质、模块化的锂片负极和高分子封装材料组成（图1）。其中，凝胶硫正极通过聚合物相转换方法制备，形成了由三维多孔硫碳复合物、碳纳米管导电网络、弹性高分子骨架组成的三元复合结构，这样的多组分一体化设计既能保证电极在拉伸时充分维持其导电性（最大可拉伸至初始长度的16倍，图2），也能有效抑制多硫化锂的穿梭效应，确保电池的循环稳定性。另一方面，与正极相匹配的凝胶电解质也被成功应用于柔性可拉伸锂硫电池中。得益于电极材料和凝胶电解质的稳定性，该电池可以在80 ^°C的高温环境下正常工作（图3）。在反复拉伸测试的实验条件下，电池保持了良好的充放电稳定性，并在超高的面积载硫量下（14 mg cm⁻²）获得了良好的面积容量（11 mAh cm⁻²）和长期循环性能（图4）。本研究为开发基于新材料体系、新器件结构的柔性可拉伸锂硫电池的提供了思路。

图1. 柔性可拉伸锂硫电池的器件结构示意图、三维多孔凝胶硫正极的制备过程与结构表征。

图2. 柔性可拉伸凝胶电极、电解质和柔性锂硫电池的力学性能测试。

图3. 柔性可拉伸锂硫电池的电化学特性、耐高温性能和长期循环性能。

图4. 柔性可拉伸锂硫电池在高面积载硫量下的性能对比测试。

该论文的第一作者为博士研究生严雯同学，南京大学化学化工学院李承辉教授在高分子材料优化和力学测试方面给予了帮助。该研究工作得到了国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、JW科技委GF科技创新特区项目、ZB预研教育部联合基金青年人才基金的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520310843

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