无粘结剂的超高硫载量锂硫电池正极设计

徐宇琦，刘汉涛

(中北大学能源动力工程学院，山西 太原 030051)

作者简介：徐宇琦（1996—），男，硕士研究生，主要研究方向为锂硫电池正极材料，yuqixu01@163.com.

通讯作者：刘汉涛，男，教授，lht@nuc.edu.cn.

摘要：为了提升锂硫电池的能量密度以及硫载量，设计了一种无粘结剂的超高硫载量锂硫电池正极。首先通过水热处理制备了石墨烯自支撑基底，然后将大量升华硫灌入作为硫碳复合正极，该复合正极没有添加任何粘结剂和导电剂。此外，该电池正极的硫载量超过8.0 mg/cm²，为常规锂硫电池的4倍以上，并且在活性物质占比接近90%的情况下仍有541 mAh/g的初始放电比容量和稳定的循环性能。

关键词：无粘结剂；超高硫载量；锂硫电池

中图分类号：TM119   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)04-0107-04

随着新能源汽车的高速发展，传统锂离子电池因其能量密度的限制而无法完全满足新能源汽车对储能元件的需求，所以亟需开发新的电池体系来满足商业需求。在众多的二次电池体系中，锂硫电池凭借极高的理论能量密度（2 600 Wh/kg）和理论比容量（1 675 mAh/g）、低廉的制造成本以及环境友好性，被认为是最具潜力的二次电池之一^［1］。但是锂硫电池在实现商业化的道路上仍面临许多问题：单质硫（S8）及反应终产物 (Li2S/Li2S2)导电性极差；反应过程中活性物质会有80%的体积膨胀，导致电极粉碎；反应过程中产生的多硫化物易溶于电解液中，还会在浓度差的作用下在正负极之间扩散，这种被称为“穿梭效应”的现象造成了严重的容量衰减^［2］。为解决这些问题，研究者们向正极中引入了各种骨架材料，然而这些骨架材料占据了电极的质量却无法释放能量，极大地降低了锂硫电池的能量密度。为了兼顾电池性能与能量密度，可以通过减少粘结剂、隔膜等非活性物质的占比，以及提高电池中硫的负载量来提升电池的能量密度^［3］。

本文通过两步法制备出Ni-N掺杂的三维自支撑多孔石墨烯骨架(Ni-NHGFs),并且将熔融硫注入骨架中制成硫碳复合正极。使用该正极组装电池时无需粘结剂的额外加入，提升能量密度的同时避免了电池降解时粘结剂对自然环境的危害。