Nat.Commun.：高能量密度Li-S電池取得新進展

最新 09-09

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伴隨著攜帶型通訊工具、電子設備和動力汽車等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電池被視為極具開發潛力的下一代二次電池系統之一。近年來，利用客體材料對硫進行負載以提Li-S電池正極的活性物質利用率和循環壽命推動了Li-S電池研究的迅速發展。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，硫的百分含量普遍低於70 wt%，尚不能滿足實際應用對Li-S電池的能量密度需求。在過去兩年中，研究者們致力於開發高硫負載的硫正極來提升Li-S電池的面積容量。然而，使用高硫負載的硫正極的Li-S電池的性能通常會發生迅速衰減。同時，現有的高硫負載的硫正極在體積容量方面仍處於較低水平。因此，高硫負載的硫正極的設計開發面臨著兩大難題：（1）低倍率和循環穩定性，（2）高面積容量和低體積容量的不匹配。

有鑒於此，受到老式相薄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在合作研究中提出了一種新型二維「蛋黃-殼」結構（圖1），即將石墨烯（G）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2）。

圖1. G@HMCN的合成示意圖。圖片來源：Nat. Commun.

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3）。

圖2. G@HMCN的表徵。圖片來源：Nat. Commun.

圖3. G@HMCN/S-G的合成和表徵。圖片來源：Nat. Commun.

該複合膜的載硫量為73 wt%，面積載硫量可達5~10 mg cm-2。受益於獨特的緊密堆積結構，面積載硫量為5 mg cm-2的G@HMCN/S-G作為Li-S電池正極，在5 C （1 C=1675 mA g-1）倍率下充放電的可逆容量高達524 mAhg-1；在1 C倍率下500次循環後可逆容量仍可保持719 mAhg-1（圖4）；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 mAhcm-3（圖5）。

圖4. G@HMCN/S-G的電化學性能。圖片來源：Nat. Commun.

圖5. G@HMCN/S-G的體積容量和面積容量。圖片來源：Nat. Commun.

G@HMCN/S-G優異的電化學性能歸因於以下幾點：

1）高比表面多孔的G@HMCN可以容納大量的活性物質硫；

2）摻雜在G@HMCN中的N原子可以抑制可溶性多硫化物的溶解與穿梭；

3）高度可分散的G@HMCN/S更易於構建均勻硫分布的高硫負載正極，從而導致高的硫利用率；

4）與常規的碳/硫顆粒相比，二維的蛋黃-殼結構可以最大化節省空間，可提供更高的堆積密度，緊密堆積結構可以減少傳質距離，提高倍率性能。

該研究工作不僅為發展高能量密度鋰硫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。

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近年來在提升鋰硫電池的能量密度方面取得了一系列重要的合作研究成果：製備N-摻雜型中空多孔碳碗提升Li-S電池的體積能量密度（Adv. Energy Mater.,2016,6, 1502539），設計三維分級結構碳材料構建高硫負載的Li-S電池（Adv. Funct. Mater.,2016,26, 8952-8959）。系列研究結果有力推動了鋰硫電池性能的大幅提升。

該研究工作得到了國家自然科學基金委、固體表面物理化學國家重點實驗室、能源材料化學協同創新中心和福建省納米製備技術工程中心的支持。

該論文作者為：Fei Pei, Lele Lin, Daohui Ou, Zongming Zheng, Shiguang Mo, Xiaoliang Fang* & Nanfeng Zheng*

Self-supporting sulfur cathodes enabled by two-dimensional carbon yolk-shell nanosheets for high-energy-density Li-S batteries.

導師介紹

鄭南峰

http://www.x-mol.com/university/faculty/14044

方曉亮

http://www.x-mol.com/university/faculty/31101

課題組主頁

http://121.192.177.81:90/nfzheng/index.asp

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