中國粉體網(wǎng)訊 移動電子設(shè)備、低排放電動車和智能電網(wǎng)等應(yīng)用對儲能體系的能量密度提出了更高的要求，促使人們不斷探索能夠超越現(xiàn)有鋰離子電池的新型電池體系。基于多電子轉(zhuǎn)換反應(yīng)的鋰硫電池由于其高能量密度（2567 Wh/kg）和資源豐富性而展現(xiàn)出不凡的潛力。然而，單質(zhì)硫及其放電產(chǎn)物（Li2S2/Li2S）的絕緣性、充放電過程中由可溶多硫化鋰引起的“穿梭效應(yīng)”、電極體積膨脹等缺點極大阻礙了鋰硫電池體系的商業(yè)化發(fā)展。將雜原子或者金屬納米粒子作為活性位點摻雜入異形多孔碳框架可以有效地解決上述問題，在確保均勻負載高含量硫和良好導(dǎo)電性的同時，還可以化學(xué)地吸附多硫化物，有效地限制“穿梭效應(yīng)”，并且加速催化多硫化物轉(zhuǎn)換反應(yīng)，提高倍率性能（Journal of Energy Chemistry 2019，38，94-113）。近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領(lǐng)的團隊在高負載大倍率鋰硫電池正極的異質(zhì)摻雜骨架的合成設(shè)計方面取得系列研究進展，相關(guān)成果先后發(fā)表在Energy Storage Materials、ACS Nano 等期刊上。
中空碳球由于良好的導(dǎo)電性、高的比表面積、可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)和低的密度，是高載量硫宿主材料的理想之選。目前，中空碳球主要由模板法制得，過程復(fù)雜且試劑有害。該團隊提供了一種基于自犧牲模板法合成N/O雜原子雙摻雜的中空碳微球的合成方案。采用微米級的球形碳氮聚合物（g-C3N4）作為自犧牲模板和富氮的前驅(qū)體，在外層包覆PDA，通過簡單的高溫碳化方法去除內(nèi)層的碳氮聚合物模板，同時外部PDA碳化為多孔納米片，從而得到N/O雜原子雙摻雜的中空碳微球（HCMs）。HCMs有著大量多孔納米片組成的殼，具有高的比表面積（873 m2/g）和孔容（4.84 cm3/g），其N和O含量可達5.36和6.99 atom%。得到的HCMs-S電極由于其物理限制效應(yīng)、親鋰吸附和催化轉(zhuǎn)化等優(yōu)點，在2C大倍率下的可逆容量約為900 mAh/g，900次循環(huán)后的保留容量約為530 mAh/g。即使在高硫含量（90%）和載量（4.84 mg/cm2）的條件下，也得到了700 mAh/g的優(yōu)異可逆容量。長期高倍率的循環(huán)不影響正極端納米結(jié)構(gòu)Li2S的均勻沉積，負極端的鋰沉積也沒有枝晶生成。該工作開發(fā)了一種可實現(xiàn)微米級C-S顆粒和高載量鋰硫電池的簡便方法，其碳宿主微結(jié)構(gòu)以二維結(jié)構(gòu)單元自組裝成的三維骨架為特征，具有豐富的內(nèi)部連通的質(zhì)量/電荷傳輸通道。相關(guān)成果發(fā)表于Energy Storage Materials（2019, DOI: 10.1016/j.ensm.2019.06.009）上。
二維層狀多孔碳具有比表面積大、導(dǎo)電性好以及催化活性位點易鋪展調(diào)控等優(yōu)點，可以有效地負載硫分子，減緩硫電極的體積膨脹效應(yīng)，加快電子和離子傳輸，而且二維層狀結(jié)構(gòu)也可以增加多硫化物與催化活性位點的接觸。該團隊使用MgCl2·6H2O同時作為高溫溶劑和造孔劑，其在900 ℃高溫碳化富氮的生物質(zhì)腺嘌呤（Adenine）時起到交聯(lián)模板作用，且輔以少量的CoCl2·6H2O摻雜，最后得到共摻雜Co/N作為雙親鋰-親硫位的二維層狀結(jié)構(gòu)交織的石墨化多孔碳（Co-CNCs），其具有褶皺的整體形貌特征。受益于其豐富的層間體積、穩(wěn)定的石墨化結(jié)構(gòu)、均布的化學(xué)吸附位和電催化活性位點，S@Co-CNCs在0.2C的初始容量為1290.4 mAh/g，在大倍率為2C時可穩(wěn)定循環(huán)至少600圈，且具有極小的每圈循環(huán)衰減率（0.029 %），其倍率性能測試可容忍20C的超高倍率。另外，即使在92.33 wt%的超高硫含量時，H-S@Co-CNCs電極能在5 μl/mg的極低E/S（電解液體積/硫質(zhì)量）比下穩(wěn)定倍率循環(huán)；H-S@Co-CNCs在9.7 mg/cm2的高面積載量下，以6 mAh/cm2的面容量可穩(wěn)定循環(huán)至少100圈。該復(fù)合正極可在大倍率長時間循環(huán)下仍然維持完整的初始形貌，實現(xiàn)均勻的S/Li2S 電沉積，而且該鋰硫電池的負極無明顯枝晶形成。相關(guān)成果發(fā)表于ACS Nano（2019, 13, 9520-9532）上。
相關(guān)研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等的資助和支持。
由多孔納米片殼層構(gòu)成的N/O雜原子雙摻雜中空碳微球作為高載量鋰硫電池的大顆粒正極宿主材料
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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