超快长循环寿命锂硫电池：基于石墨烯的三明治结构

随着通讯便携式电子设备、空间技术和电动汽车等领域的快速发展，人们对电池的要求变得越来越高，使得高容量、长循环寿命、低成本及环境友好的新型锂电池开发成为一个热门的研究领域。近年来发现，以单质硫为正极活性材料的锂硫(Li-S)电池能够突破传统的过渡金属氧化物基正极物质的理论储锂容量限制(当发生电池反应S + 2Li = Li2S时，相应的理论比能量为2567 Wh/Kg及正极理论比容量高达1675 mAh/g，且硫和锂的反应具有可逆性)，且锂硫电池中的正极材料硫具有储量丰富、无毒、廉价等特点而倍受关注。

然而，虽然锂硫电池具备上述优势，在实际应用之前许多问题仍有待解决。例如硫的低电导率、电池充放电过程中产生易溶解于有机电解液的多硫化锂、及生成的Li2S终产物导电性差且不溶解，都容易影响电极中活性硫的利用率及电池性能。同时单质硫和 Li2S由于两者密度的不同，容易导致充放电过程中硫和Li2S体积改变，使电极产生压力并破坏其结构稳定性，导致电池容量易快速衰减。而且，电极中高度可溶的多硫化物能在阴极和阳极之间穿梭，并在阴极和阳极之间形成固态Li2S2/Li2S库，造成了硫的不可逆损耗，这将导致电池的库伦效率低、低循环承载力及高阻抗。为了攻克锂硫电池开发中的瓶颈，研究人员采取了多种手段包括添加电子导体与硫复合提高导电性、抑制多硫化物过多溶解、增加锂负极保护等方法，并取得了不错了进展。

有趣的是，近期来自中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室的成会明课题组发现石墨烯可作为硫电极及电池隔膜的保护及导电层从而形成一个独特三明治结构，在增加导电性的同时确保多硫化锂不会穿透电池隔膜而腐蚀锂负极，从而提高锂硫电池的性能。该文章还指出，与使用铝箔作为正极集电体及使用未包覆石墨烯的商品化电池隔膜情况相比，采用石墨烯作为正极集电体(Graphene Current Collector, GCC)和石墨烯隔膜(Graphene membrane coated commercial polymer separator, G-separator)能够有效地降低集电器、活性材料和电解液的接触阻抗。更值得关注的是，包被有两层石墨烯的电极能提供快速的离子和电子通道，适应硫体积膨胀，储存并重复利用迁移的多硫化物以减轻穿梭效应。石墨烯集电体的轻质特点还使其构成的锂硫电池具有更高的能量密度。此外，由于石墨烯对于的包裹，是得硫极能够直接和碳黑复合，而不需使用特殊的炭基质或多聚物包被，从而简化了电极的制备过程。同时，该文章还展示了大面积石墨烯集电器及石墨烯隔膜的制备，预示着该设计可用于大规模工业化生产的可能性。

该研究成果证实了利用石墨烯包裹电极及隔膜可作为一个简单且高效的策略提升锂硫电池的性能，从而为高容量、长循环、易加工的锂硫电池开发提供了一种新思路。