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浦项大学可在30分钟内合成锂硫电池正极材料

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58京牌 随着、智能手机的普及,人们对高能、长寿命、快速充电储能系统的需求也在不断增加。然而,目前锂离子电池技术无法满足这一需求,研究人员逐渐将重点转向下一代电池。,浦项理工大学(POSTECH)的研究团队利用炼油过程中废弃的硫,可在30分钟内成功合成锂硫电池正极材料。

(图片来源:POSTECH)

该团队开发了一种创新锂硫电池,具有高能量密度和机械灵活性,并且能够快速充电。这是首次通过反硫化合成富硫层级有序共聚物。在不使用表面活性剂或立体稳定剂的情况下,快速反应时间小于30分钟。

与目前使用的高毒性过渡金属基正极材料不同,硫因成本低、天然储量丰富、毒性少而备受关注。尤其是锂硫电池具有很高的理论能量密度(2,600Wh kg-1)和高容量(1672mAh g-1),表现出作为下一代电池的潜力。然而,硫的导电性基本上较低,从而阻碍充分利用活性物质,使充放电循环放缓。另外,这种材料还具有在电解质中溶解度高的缺点,从而缩短了电池的使用寿命。

为了克服这些局限性,与传统硫电极不同,研究团队没有采用熔体扩散工艺,而是通过硫和乙烯基膦酸(VPA)反硫化法进行共聚,仅在30分钟内即可合成硫基聚合物颗粒。所产生的硫颗粒由基于低密度硫同素异形体的相分离α-硫和硫-VPA网状物 (SVPA) 构成。

在短时间内形成大小均匀的层级有序颗粒,关键在于硫自由基与 VPA 之间的自催化反应。VPA所连接的长硫链在反应开始时形成,以在没有表面活性剂的情况下稳定SVPA的球形形状。有趣的是,研究表明在SVPA粒子表面会自发形成皱褶和孔隙,就像人的皮肤一样,这有助于电解质渗透到正极中,同时也减轻了施加至电极表面的机械应力。 

柔性锂硫电池测试图

研究人员通过这种方法证实,在简单的合成方法的基础上,可以在活性材料中引入多孔结构,以促进电解质渗透,并通过在低体积膨胀的SVPA框架中嵌入硫同素异形体,提高电极的机械完整性。此外,研究人员通过大量存在于活性材料表面的膦酸官能团, 有效地阻止了多硫化锂洗脱(elution),从而实现优异的锂硫电池性能。这种活性材料本身具有优良的弹性,以及作为交联聚合物的优势,显示出作为柔性电极的潜力。

研究负责人Moon Jeong Park教授表示:“本项研究以低成本、环保的方式合成含丰富膦酸基团的反硫化聚合物,从而开发出一种柔性锂硫电池。这一发现具有重要意义,因其可在化学上捕获多硫化锂,从而解决了洗脱问题,促进商业化进展。”

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