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  • 新型树枝大分子-石墨烯氧化物复合电极增强锂硫电池循环寿命

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  • 锂硫电池质量轻、环境友好、储量丰富、价格低廉,而且具有很高的理论比能量密度,达到2600 Wh kg−1,是商用锂离子电池的3-5倍,作为新一代储能器件引起广泛关注。然而聚硫化物穿梭效应使得电池循环能力和容量迅速衰减,成为该电池技术实现商业化的一大障碍。耶鲁大学Hailiang Wang教授课题组开发了全新的萘二甲酰亚胺官能化的聚酰胺-胺(PAMAM)树枝大分子-石墨烯氧化物(mGO)复合薄膜(Naph-Den-mGO),并将其作为限硫载体,应用于锂硫电池中,有效地抑制了穿梭效应,提高电池循环寿命和倍率性能。

    该复合薄膜含有的三种组成成分具备了不同功能,其中PAMAM树枝大分子作为多孔骨架负责化学吸附多硫化锂,而官能团萘二甲酰亚胺作为桥梁通过π-π共轭将聚酰胺-胺骨架和mGO纳米片进行连接以形成复合薄膜,而柔韧性优异的GO纳米片则赋予了复合薄膜良好的机械性能。原子力显微镜扫描结果显示,该复合薄膜Naph-Den-mGO的厚度为90 nm。研究人员将该薄膜涂覆于硫正极上,和锂负极组装成完整的电池并进行一系列电化学性能测试。含有复合薄膜Naph-Den-mGO电池,在0.1、0.2、0.5和1.0C电流密度下,其放电比容量依次为1472、1255、1083和943 mAh g−1;当将电流密度提高到2C和5C时,电池仍呈现出较高的比容量,分别为785和530 mAh g−1,展现出优异的倍率性能。相反,不含复合薄膜Naph-Den-mGO电池其倍率性能则大幅下降,在5C电流密度时,其放电比容量仅为143 mAh g−1,不及Naph-Den-mGO电池的三分之一。循环伏安测试结果显示,在1C电流密度下,Naph-Den-mGO电池放电比容量可达830 mAh g−1,经过560次循环后,比容量维持在757 mAh g−1,容量保持率高达91%,单次循环容量平均衰减率为0.016%。相反,无Naph-Den-mGO复合膜修饰的电池循环性能较差,在同样的1C电流密度下,其单次循环容量平均衰减率为0.054%,比Naph-Den-mGO电池衰减速率的三倍还大。该项研究开发了一种抑制多硫聚物穿梭效应的新方法,增强了电池的倍率性能和循环寿命,为设计和开发高性能的锂硫电池提供了新途径。

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