2018年8月21日
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现代工程与应用科学学院张会刚教授课题组利用金色葡萄球菌仿生制备高性能锂硫电池正极

锂硫电池由于其极高的理论比能量(2600 Wh kg-1)、环境友好、价格低廉、正极材料硫在地球中储量丰富等特点受到广泛关注。但是锂硫电池在应用中还受到一些实际问题的限制,例如硫及其放电产物(Li2S2/Li2S)导电性能差,反应过程中会发生体积膨胀,反应产生的中间产物——多硫化物(Li2Sn,4 ≤ n ≤ 8)容易溶解在电解液中,“穿梭”到负极破坏Li片结构等等,由此将会导致电池循环稳定性衰减、倍率性能较差和库伦效率降低等问题。

此外,由于硫是一种非极性物质,多硫化物是极性物质,张会刚课题组提出一种“仿生”双极性正极结构,借用生物中选择性透过膜的性能,首次利用金黄色葡萄球菌作为初始结构,制备出一种外部修饰TiO2层的生物碳球材料。一方面,含有氮元素的生物碳球内部具有多层结构,可以将硫固定在其中;另一方面,外部的TiO2作为极性吸附剂和催化剂,将多硫化物吸附住,减少其溶解与“穿梭”。这种双极性结构可以让Li+自由通过。

(a)TiO2与碳的极性研究,图中计算和实验显示TiO2与多硫化物,非极性碳与S8作用较强,反之则作用较弱;(b)仿生思路:生物细胞膜的选择性透过膜控制营养物质和代谢产物进出。(c)“仿生”双极性正极结构。内部非极性吸附支撑硫,外壳层限制多硫化物;(d)以金色葡萄球菌为初始结构的硫正极材料制备过程

该方法制备出来的正极结构材料在0.1A g-1的电流密度下首圈放电容量可以达到1202 mAh g-1,并且在1.5A g-1的电流密度下还可以循环1500圈且保持较好的稳定性能。文章使用TiO2作为一种吸附多硫化物的例子,来阐释“仿生”双极性结构的优势,若是换用其他具有更高吸附性能或是催化性能的物质,相信电池性能将会有进一步的提高。微生物发酵已经广为工业化,蛋白A,红霉素,味精,维生素等通过微生物发酵获得,该文章提供一种思路利用这些工业微生物来制备有用的锂硫电池正极,另外还可以利用基因工程调控细菌表面的蛋白和多糖组成与结构,为双极性多级表面结构提供更多修饰手段。这项研究将细菌运用到电极材料当中,为以后的跨领域研究提供了一种新思路。

该项工作已被Advanced Energy Materials在线发表。南京大学现代工程与应用科学学院15级硕士吴雯露为论文的第一作者,张会刚教授为通讯作者,现代工程与应用科学学院邓正涛教授,浙江工业大学材料科学与工程学院陶新勇教授,北京大学深圳研究生院潘峰教授为文章合作作者。

相关文章链接:

Wenlu Wu, Jun Pu, Jian Wang, Zihan Shen, Haiyan Tang, Zhentao Deng, Xinyong Tao, Feng Pan, Huigang Zhang*, Biomimetic Bipolar Microcapsules Derived from Staphylococcus aureus for Enhanced Properties of Lithium-Sulfur Battery Cathodes. Advanced Energy Materials

Published on-line on 17 JAN 2018. Link: http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201702373

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)