中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，由iChEM研究人員、廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院鄭南峰教授與廈門大學(xué)薩本棟微納米研究院方曉亮副教授指導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了基于二維“蛋黃-蛋殼”結(jié)構(gòu)碳材料的新型自支撐硫正極，為構(gòu)建兼具高面積能量密度和高體積能量密度的鋰硫電池提供了重要途徑。該研究成果以“Self-supporting sulfur cathodes enabled by two-dimensional carbon yolk-shell nanosheets for high-energy-density lithium-sulfur batteries”為題發(fā)表于2017年9月7日的《自然?通訊》 Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-017-00575-8)上。
伴隨著便攜式便攜電子設(shè)備、動(dòng)力汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能器件在人們?nèi)粘Ｉ钪械男枨蟪掷m(xù)攀升，具有高理論能量密度、低成本和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)的鋰硫（Li-S）電池被視為極具開發(fā)潛力的下一代二次電池系統(tǒng)。近年來，利用客體材料對(duì)硫進(jìn)行負(fù)載以提Li-S電池正極的活性物質(zhì)利用率和循環(huán)壽命推動(dòng)了Li-S電池研究的迅速發(fā)展。目前所報(bào)道的Li-S電池正極單位面積的載硫量大多低于3.5 mg cm-2，硫的百分含量普遍低于70 wt%，尚不能滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)Li-S電池的能量密度需求。研究者們致力于開發(fā)高硫負(fù)載的硫正極來提升Li-S電池的面積容量。然而，使用高硫負(fù)載硫正極的Li-S電池的性能通常會(huì)發(fā)生迅速衰減。同時(shí)，現(xiàn)有的高硫負(fù)載硫正極在體積容量方面仍處于較低水平。因此，高硫負(fù)載硫正極的設(shè)計(jì)開發(fā)面臨著兩大難題：（1）低倍率和循環(huán)穩(wěn)定性，（2）高面積容量和低體積容量的不匹配。
受到老式相冊(cè)緊密堆積結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)提出一種新型二維“蛋黃-殼”結(jié)構(gòu)，合成石墨烯包裹于中空多孔碳納米片的內(nèi)部腔體中（簡稱G@HMCN），以構(gòu)建不使用金屬集流體和粘結(jié)劑的自支撐型鋰硫正極薄膜材料。由于具有高比表面積和孔容、豐富的氮原子摻雜和良好的分散性，G@HMCN能夠制備載硫量高達(dá)80.5 wt%的碳硫復(fù)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、柔性且緊密堆積的復(fù)合薄膜（簡稱G@HMCN/S-G）。該復(fù)合膜的載硫量為73 wt%，面積載硫量可達(dá)5~10 mg cm-2。受益于獨(dú)特的緊密堆積結(jié)構(gòu)，面積載硫量為5 mg cm-2的G@HMCN/S-G作為Li-S電池正極，在5C（1C=1675 mA g-1）倍率下充放電的可逆容量高達(dá)524 mAh g-1；在1 C倍率下500次循環(huán)后可逆容量仍可保持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(dá)11.4 mAh cm-2和1329 mAh cm-3。該研究工作不僅為發(fā)展高能量密度Li-S電池提供了新的機(jī)遇，同時(shí)也衍生了一類新型的二維碳納米材料，有望應(yīng)用于其它眾多研究領(lǐng)域，如超級(jí)電容器、異相催化和電催化、柔性儲(chǔ)能器件。
該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和福建省納米制備技術(shù)工程中心的支持。
