如何更好提升动力电池高载硫正极的大倍率性能

锂离子电池（LIB）是用于可再生能源的存储装置的主要组成部分，而储量丰富且成本低廉的硫具有高达1675mAh/g的容量，被认为是下一代锂离子电池电极材料的替代候选者之一。为了满足电动汽车和固定电网应用，高硫含量厚电极（实现高容量）和高电流密度下的快速Li+传输是至关重要的，但高硫含量厚电极中不易产生有效的锂离子通路，导致高硫负载正极只能在低电流密度下循环。所以想要获得高倍率的锂硫正极，减少锂离子扩散阻挡层可能是最直接也是最有效率的方法之一。

近日，电子科技大学熊杰、何伟东教授与苏州大学晏成林教授首次将具有原子层间离子路径的锂蒙脱石（Li-MMT）材料引入高硫含量锂硫电池，展现出出色的倍率性能。Li-MMT经过处理后具有1nm以上的层间距，允许层间阳离子自由迁移和交换，且电解质可有效地渗透到硫电极，并允许Li+无阻碍地运输，从而实现高效的离子扩散且电池性能不再受电极载硫量的严重影响。当与80％硫粉结合使用时（硫负载高达4mg/cm2），超宽层间路径的独特优势使Li-MMT/S电极在1mA/cm2下实现865mAh/g的高比容量，在15mA/cm2的高电流密度下保持345mAh/g比容量。密度泛函理论计算结果表明，其Li+扩散能垒仅有0.155Ev，且Li-MMT具有强的路易斯酸基吸附位点，从而可以有效吸附多硫化物，有效阻止多硫化物的穿梭。

图1.a）具有层间分子空间的MMT和阳离子的骨架结构。b）从MMT到Li-MMT的阳离子交换的示意图。c）Li离子扩散的能垒与Li-MMT的层间表面的示意图，其远低于碳基电极中的扩散势垒。

图2.锂离子扩散和电化学性能。a）Li-MMT/S电极在1.5-3.0V（vsLi/Li+）电压窗口内不同扫描速率（0.1-1.2mV/s）下的CV测试。b）IP/V1/2的值分别代表阳极氧化过程（IA），第一阴极还原过程（IC1）和第二阴极还原过程（IC2）的锂离子扩散能力。c）AB/S和Li-MMT/S电极穿梭电流与施加的恒电位充电电压的比较。d）AB/S和Li-MMT/S电极的倍率性能。e）Li-MMT/S电极的长循环性能。

图3.Li-MMT/S电极的高电流密度循环分析。a,b）4mg/cm2硫负载AB/S和Li-MMT/S电极的恒流充放电曲线。c）载硫量和电流密度之间的相关性与已报道文献对比。d）不同载硫量的电化学阻抗。e）Li-MMT/S电极在8mA/cm2下的长循环性能，硫载量为5.2mg/cm2。f,h）电流密度分别为2和8mA/cm2时锂金属负极的的表面形态。g）锂金属在高电流密度下沉积的自愈原理图。

图4.理论计算。a）Li-MMT在各种多硫化物（Li2S，Li2S2，Li2S3，Li2S4，Li2S6和Li2S8）上的吸附构象。黄色，紫色，品红色，橄榄色和深蓝色球分别代表硫，锂，氧，硅和铝原子。b）吸附结合能和总结合能的趋势显示出各种多硫化物的强结合强度。c）分别暴露于AB，MMT和Li-MMT后，Li2S8溶液的UV可见光谱（350-700nm）。锂离子电池（LIB）是用于可再生能源的存储装置的主要组成部分，而储量丰富且成本低廉的硫具有高达1675mAh/g的容量，被认为是下一代锂离子电池电极材料的替代候选者之一。为了满足电动汽车和固定电网应用，高硫含量厚电极（实现高容量）和高电流密度下的快速Li+传输是至关重要的，但高硫含量厚电极中不易产生有效的锂离子通路，导致高硫负载正极只能在低电流密度下循环。所以想要获得高倍率的锂硫正极，减少锂离子扩散阻挡层可能是最直接也是最有效率的方法之一。