近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所二維材料與能源器件創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員吳忠?guī)泩F隊發(fā)展了一種三維石墨烯/納米碳管多孔氣凝膠材料，并將其應(yīng)用于鋰硫電池的硫單質(zhì)載體和中間層一體化正極，獲得高體積能量密度和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的鋰硫電池。相關(guān)研究成果發(fā)表在《納米能源》（NanoEnergy）上。

鋰硫電池具有高質(zhì)量理論能量密度（2600Wh/kg）和高體積能量密度（2800Wh/L），被認為是一種非常有應(yīng)用前景的高比能電池。但由于硫單質(zhì)存在質(zhì)量密度低（2.07g/cm3）、導(dǎo)電性差（5×10-30S/cm），以及充放電過程中活性物質(zhì)體積膨脹大（78.7%）、多硫化物穿梭嚴重等問題，導(dǎo)致其雖然質(zhì)量密度較高，但體積能量密度普遍較低、循環(huán)性能較差，這大大限制了鋰硫電池的實際應(yīng)用。因此，如何同時提高鋰硫電池的質(zhì)量和體積能量密度，并延長其循環(huán)壽命是目前鋰硫電池應(yīng)用研究的瓶頸之一。

該研究團隊開發(fā)出一種三維石墨烯/碳納米管多孔氣凝膠材料，并同時將其應(yīng)用于鋰硫電池的硫單質(zhì)載體和中間層，成功構(gòu)筑出自支撐、無金屬集流體的一體化正極材料。該一體化正極材料具有高的壓實密度、優(yōu)異導(dǎo)電性、良好的機械柔性，不僅實現(xiàn)了高的體積硫載量（1.64g/cm3），顯著提高了鋰硫電池的體積能量密度（1615Ah/L），而且有效地抑制了多硫化物穿梭的效應(yīng)。在2C的大電流密度的條件下，電池能夠穩(wěn)定循環(huán)500圈，且容量幾乎沒有衰減，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。這種硫單質(zhì)載體和中間層一體化正極結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略為構(gòu)建高體積能量密度、長循環(huán)壽命的鋰硫電池提供了新的思路。

上述工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等的資助。