引言
1 正文
具有高理论能量密度、低成本和环境友好等优点的锂硫(Li-S)电池被视为极具开发潜力的下一代二次电池系统[1].近年来,利用碳/硫复合物作为电池正极材料显著提升了Li-S电池的容量和循环寿命.为进一步推动Li-S电池的实用化,研究者们致力于设计高硫负载正极以提升Li-S电池的能量密度[2].但现有的高硫负载正极仍面临着两个亟待解决的问题:1)倍率和循环稳定性差; 2)高面积容量和高体积容量难兼顾.
厦门大学方晓亮副教授课题组和郑南峰教授课题组通过紧密合作,近期成功地开发了一种新型二维多孔碳纳米材料作为载硫客体材料,以构建兼具高面积容量和高体积容量的自支撑Li-S电池正极结构[3].受到相册紧密堆积结构的启发,他们将石墨烯包裹于中空多孔碳纳米片的内部腔体中(简称为G@HMCN),形成了一种具有“蛋黄-壳”结构的二维材料,如图1所示.由于具有高比表面积和孔容,以及丰富的氮原子掺杂和良好的分散性,G@HMCN能够制备载硫量高达80.5%(质量分数)的碳/硫复合物(G@HMCN/S).通过简单的真空抽滤法,G@HMCN/S和商品化的石墨烯可以进一步共组装形成自支撑、柔性且紧密堆积的复合薄膜G@HMCN/S-G.该复合薄膜的载硫质量分数为73%,面积载硫量高达5~10 mg/cm2,并可直接作为Li-S电池正极,从而避免因使用金属集流体和黏结剂引起的活性组分含量下降.该研究发现,面积载硫量为5 mg/cm2的G@HMCN/S-G作为Li-S电池正极,在5 C(1 C=1 675 mA/g)倍率下充放电的可逆容量高达524 mAh/g,在1 C倍率下500次循环后可逆容量仍可保持719 mAh/g,可以兼顾高面积容量(5.7 mAh/cm2)与高体积容量(1 330 mAh/cm3).更为突出的是,面积载硫量为10 mg/cm2的G@HMCN/S-G的面积容量与体积容量分别可达11.4 mAh/cm2和1 329 mAh/cm3.
该研究结果为提升Li-S电池的能量密度提供了重要的新思路,同时所衍生的新型二维多孔碳纳米材料还有望应用于其他众多研究领域,如超级电容器、柔性储能器件、异相催化和电催化.
- [1] MANTHIRAM A,FU Y Z,CHUNG S H,et al.Rechargeable lithium-sulfur batteries[J].Chem Rev,2014,114(23):11751-11787.
- [2] ZHOU W D,GUO B K,GAO H C,et al.Low-cost higher loading of a sulfur cathode[J].Adv Energy Mater,2016,6(5):1502059.
- [3] PEI F,LIN L L,OU D H,et al.Self-supporting sulfur cathodes enabled by two-dimensional carbon yolk-shell nanosheets for high-energy-density lithium-sulfur batteries[J].Nat Commun,2017,8(1):482.