Nature子刊：自支撐型硫正極構建高能量密度Li-S電池！
伴隨著攜帶型便攜電子設備、動力汽車和大規模儲能器件在人們日常生活中的需求持續攀升，具有高理論能量密度、低成本和環境友好等優點的鋰硫（Li-S）電池被視為極具開發潛力的下一代二次電池系統。由於單質硫本身絕緣、充放電過程中形成的多硫化物易發生「穿梭效應」、以及硫與硫化鋰轉化過程中的體積變化等問題造成了Li-S電池硫利用率低和循環壽命差。因此，Li-S電池的正極研究受到了人們的廣泛關注。
近年來，利用客體材料對硫進行負載以提Li-S電池的容量和穩定性極大地推動了Li-S電池研究的迅速發展。然而Li-S電池正極的實際應用仍受制於：
1）目前所報道的Li-S電池正極單位面積的載硫量大多低於3.5 mg cm-2，正極中活性物質硫的百分含量普遍低於70 wt%，不能滿足實際應用對Li-S電池能量密度的需求；
2）簡單提升正極載硫量使得客體材料對硫的負載作用顯著降低，電池的整體性能因此會迅速衰減；
3）硫負載量與電極厚度不匹配，現有的高硫負載正極雖然具有較高的面積容量，但體積能量密度卻相對較低。
因此，高硫負載正極的設計開發面仍面臨著兩大難題：（1）倍率和循環穩定性差，（2）高面積容量和低體積容量難以兼顧。
有鑒於此，受到相冊的緊密堆積結構啟發，廈門大學薩本棟微米納米科學技術研究院方曉亮課題組和廈門大學化學化工學院鄭南峰課題組合作開發了一種新型二維「yolk-shell（蛋黃-殼）」結構：即將石墨烯包裹於中空多孔碳納米片的內部腔體中（簡稱G@HMCN），來構建不使用金屬集流體和粘結劑的自支撐型鋰硫正極。
圖1、G@HMCN的合成示意圖
廈門大學裴非等研究人員經過研究表明，由於具有高比表面積和孔容、豐富的N原子摻雜和良好的分散性，G@HMCN 能夠製備載硫量高達80.5 wt%的碳/硫複合物（簡稱 G@HMCN/S）。通過簡單的真空抽濾法，G@HMCN/S和商品化的石墨烯可以共組裝形成自支撐、柔性且緊密堆積的複合薄膜（簡稱G@HMCN/S-G）。
圖2、G@HMCN的表徵
圖3、G@HMCN/S-G的合成和表徵
該複合膜的硫含量高達73 wt%，面積載硫量可達5~10 mg cm-2，並可直接作為Li-S電池正極使用。面積載硫量為5 mg cm-2的G@HMCN/S-G在5 C （1 C=1675 mA g-1）倍率下充放電的可逆容量高達524 mAh g-1；在1 C倍率下500次循環後可逆容量仍可保持719 mAh g-1；可以兼顧高面積容量（5.7 mAh cm-2）與高體積容量（1330 mAh cm-3）。
更為突出的是，面積載硫量為10 mg cm-2的G@HMCN/S-G的面積容量與體積容量分別可達11.4 mAh cm-2和1329 mAh cm-3。
圖4、G@HMCN/S-G的電化學性能
圖5、G@HMCN/S-G的體積容量和面積容量
G@HMCN/S-G優異的電化學性可以歸因於以下幾點：
1）高比表面積和高孔容使得G@HMCN可以負載大量的硫；
2）N原子摻雜可以提升G@HMCN對可溶性多硫化物穿梭效應的抑制；
3）高度可分散的碳/硫複合物G@HMCN/S易於構建活性物質分布均勻的高硫負載正極，進而提升電極的硫利用率；
4）二維的「蛋黃-殼結構」形成的緊密堆積結構在減少傳質距離的同時，可以有效提升電極的空間利用率，因此顯著提升了Li-S電池的能量密度。
總之，該研究工作不僅為發展高能量密Li-S電池提供了新的機遇，同時也衍生了一類新型的二維碳納米材料，有望應用於其它眾多研究領域，如超級電容器、異相催化和電催化、柔性儲能器件。
Fei Pei, Lele Lin, Daohui Ou, Zongming Zheng, Shiguang Mo, XiaoliangFang* and Nanfeng Zheng*, Self-supportingsulfur cathodes enabled by two-dimensional carbon yolk-shell nanosheets forhigh-energy-density Li-S batteries. Nature Communication 2017.
TAG:納米人 |