新型多功能石墨烯插层膜的设计开发及其在锂硫电池中的应用研究

In this project, to overcome some serious issues rooted in the shuttle mechanism of polysulfides (PS) in Lithium-sulfur (Li-S) battery, including the lower capacity and poor cycle performance, we develop a novel multifunctional graphene interlayer between the cathode and the separator. By using the methods such as surface functionalization, heteroatom doping, and preparing composites, the graphene interlayer can be endowed with some novel function such as shearing, trapping, and intercepting PS. The interlayer serves to intercept the migrating PS and reuse the trapped active material, resulted in a significant improvement in the capacity and the cycle performance. Furthermore, considering the high heat conduction property of graphene, we design the functional interlayer with synergetic heat dissipation of separator. When the battery was running under the high current density, the generating heat in the separator can be quickly absorbed by the close graphene interlayer, and finally diffuse into electrolyte. The synergetic function of heat dissipation is beneficial to solve the separator fusion issue under the high current density. In addition, we will further reveal the formation mechanisms of the multifunctional graphene interlayer, and some corresponding science issues such as shearing, trapping, and intercepting mechanisms of PS, and so on.

本项目针对当前在锂硫电池研究中由于多硫离子的“穿梭效应”而导致电池容量偏低、循环性能较差等瓶颈性问题，提出在电池正极与隔膜之间添加一层石墨烯插层膜，并通过对该石墨烯膜进行表面功能化修饰、掺杂、材料复合等处理，以使其具有剪切、诱捕、拦截多硫离子等功能，使多硫离子在遭遇该膜时，能迅速被捕获，以确保其能继续留在正极，从而实现反复高效利用，用以提高电池的容量和循环性能。此外，我们也将充分利用石墨烯自身好的导热性和在电池里靠近隔膜的特点，开发具有协同隔膜散热功能的石墨烯插层膜，使电池即使大电流下工作时，隔膜上产生的热量也可以被插层膜迅速吸收并扩散，在很大程度上解决隔膜在大电流下易局部受热被熔融击穿这一难题，实现在电池在高倍率性能上大的突破。另外，本项目还将对该类多功能石墨烯插层膜的形成机制，以及它们在锂硫电池中对多硫离子的诱捕、剪切、拦截机制，协同隔膜的散热机制等基础科学问题进行详细探讨。

在现有的新型锂电储能体系中，锂硫电池，理论比能量可达2600 Wh/kg，要远远大于当前所使用的商业化二次电池。然而，要实现此类器件的真正大规模商业化应用，在硫正极的研究仍面临诸多基础科学及技术难题。本项目针对当前在锂硫电池研究中由于多硫离子的“穿梭效应”而导致电池容量偏低、循环性能较差等瓶颈性问题，按以下思路展开研究：1）在电池正极与隔膜之间添加一层石墨烯插层膜，并通过对该石墨烯膜进行表面功能化修饰、氮、硫杂原子掺杂、引入有机小分子（DTT、VC）、材料复合（Al3Ni2、BN、TiO2、TiS2、TiC、NbS2）等处理，以使其具有高效剪切、诱捕、拦截多硫离子等功能，使多硫离子在遭遇该膜时，能迅速被捕获，以确保其能继续留在正极，从而实现反复高效利用，用以提高电池的容量和循环性能；2）充分利用掺杂或超高温处理石墨烯自身好的导热性和在电池里靠近隔膜的特点，开发具有协同隔膜散热功能的石墨烯插层膜，使电池即使大电流下工作时，隔膜上产生的热量也可以被插层膜迅速吸收并扩散，在很大程度上解决隔膜在大电流下易局部受热被熔融击穿这一难题，实现在电池在高倍率性能上大的突破；3）利用原位光谱技术（红外、拉曼、紫外灯）结合理论计算，进行构效关系分析，并对该类多功能石墨烯插层膜的形成机制，以及它们在锂硫电池中对多硫离子的诱捕、剪切、拦截机制，协同隔膜的散热机制等基础科学问题进行详细探讨；4）通过采用牺牲对电极法，电沉积法等，在碳管上复合多种渡金属氧化物、硫化物、磷化物、低含量贵金属化合物等，此大类复合材料在氢析出、氧析出等领域展现了好的应用前景。经过课题组近四年的努力，迄今为止,在该项目的支持下，在ACS Nano、Nat. Commun. 、Advanced Energy Materials、Advanced Science、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials Interfaces、Nanoscale等国际著名期刊上发表SCI论文18篇，3篇入选ESI高引论文。