石墨化碳納米籠：新型限硫載體用于高倍率長壽命鋰硫電池
作者：admin 發(fā)布日期：2017/3/16 關(guān)注次數(shù)：
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隨著電動汽車和便攜式電子設(shè)備的發(fā)展，人類對新型高效儲能裝置的需求也在不斷增加。鋰硫電池作為一種極具潛力的新型化學(xué)電源，具有高理論能量密度，成本低，環(huán)境友好的優(yōu)勢, 成為近年來高能量密度二次電池領(lǐng)域中的研究前沿和熱點(diǎn)之一。然而，鋰硫電池目前仍面臨諸多問題，包括單質(zhì)硫的低電化學(xué)活性，中間產(chǎn)物多硫化鋰的易溶性，以及體積膨脹大等，這極大的制約了鋰硫電池的發(fā)展。為解決以上問題，針對硫正極的改性多采用碳材料作為硫載體，以提高硫電極導(dǎo)電性、抑制多硫化鋰的溶出。
傳統(tǒng)的石墨化sp2碳材料（如石墨烯，碳納米管等）具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械柔性，以及化學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性，非常適合作為導(dǎo)電負(fù)載基底應(yīng)用到各類儲能電極材料中。然而研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)sp2碳材料在作為硫正極載體材料使用時，并不能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢。因?yàn)榇祟恠p2碳通常具有較低的孔隙率，在形成硫碳復(fù)合物時，硫主要依靠弱吸附力附著于碳基底表面。這不利于單質(zhì)硫在導(dǎo)電碳基體上的分散；且在長循環(huán)過程中，多硫化鋰也極易向電解液中擴(kuò)散，造成活性物質(zhì)損失，進(jìn)而導(dǎo)致電池性能衰減。因而，設(shè)計(jì)構(gòu)筑新型sp2碳結(jié)構(gòu)，使其成為高效的載硫基體，對于研發(fā)高性能硫正極具有重要意義。
近期，中國科學(xué)院化學(xué)研究所郭玉國教授課題組開發(fā)出一種獨(dú)特的石墨化碳納米籠結(jié)構(gòu)的sp2型碳材料，并將其作為硫載體，應(yīng)用在高倍率長壽命鋰硫電池。該碳材料具有三維夾層結(jié)構(gòu)，由石墨烯作為骨架，周圍包覆sp2型碳層，碳層中嵌有石墨化碳納米籠結(jié)構(gòu)單元。該石墨化碳納米籠由幾層石墨化sp2碳包圍形成，內(nèi)部空腔直徑約為3~5nm。采用溶液法將納米硫負(fù)載入石墨化碳籠單元內(nèi)。該結(jié)構(gòu)作為活性硫的微型電化學(xué)反應(yīng)器具有較大的孔體積，在高硫負(fù)載量（77wt%）情況下，不僅可以實(shí)現(xiàn)納米硫的高效分散、充分發(fā)揮其電化學(xué)活性，還可以有效抑制多硫化鋰的溶解穿梭，改善鋰硫電池的循環(huán)性能。此外，石墨烯骨架和高度石墨化的納米碳籠共同組建了一個高導(dǎo)電、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的三維sp2碳導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，不僅有利于電子的高速傳輸，同時可保證正極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該硫碳復(fù)合正極0.1 C電流密度下，可發(fā)揮1375mAh/g的比容量，并在循環(huán)200次后，容量維持在943mAh/g；1 C電流密度下循環(huán)1000次，容量保持率高達(dá)78.4%。與此同時，該電極材料具有優(yōu)異的高倍率性能，在5 C的電流密度下，容量仍可達(dá)765mAh/g。
傳統(tǒng)的石墨化sp2碳材料（如石墨烯，碳納米管等）具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械柔性，以及化學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性，非常適合作為導(dǎo)電負(fù)載基底應(yīng)用到各類儲能電極材料中。然而研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)sp2碳材料在作為硫正極載體材料使用時，并不能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢。因?yàn)榇祟恠p2碳通常具有較低的孔隙率，在形成硫碳復(fù)合物時，硫主要依靠弱吸附力附著于碳基底表面。這不利于單質(zhì)硫在導(dǎo)電碳基體上的分散；且在長循環(huán)過程中，多硫化鋰也極易向電解液中擴(kuò)散，造成活性物質(zhì)損失，進(jìn)而導(dǎo)致電池性能衰減。因而，設(shè)計(jì)構(gòu)筑新型sp2碳結(jié)構(gòu)，使其成為高效的載硫基體，對于研發(fā)高性能硫正極具有重要意義。
近期，中國科學(xué)院化學(xué)研究所郭玉國教授課題組開發(fā)出一種獨(dú)特的石墨化碳納米籠結(jié)構(gòu)的sp2型碳材料，并將其作為硫載體，應(yīng)用在高倍率長壽命鋰硫電池。該碳材料具有三維夾層結(jié)構(gòu)，由石墨烯作為骨架，周圍包覆sp2型碳層，碳層中嵌有石墨化碳納米籠結(jié)構(gòu)單元。該石墨化碳納米籠由幾層石墨化sp2碳包圍形成，內(nèi)部空腔直徑約為3~5nm。采用溶液法將納米硫負(fù)載入石墨化碳籠單元內(nèi)。該結(jié)構(gòu)作為活性硫的微型電化學(xué)反應(yīng)器具有較大的孔體積，在高硫負(fù)載量（77wt%）情況下，不僅可以實(shí)現(xiàn)納米硫的高效分散、充分發(fā)揮其電化學(xué)活性，還可以有效抑制多硫化鋰的溶解穿梭，改善鋰硫電池的循環(huán)性能。此外，石墨烯骨架和高度石墨化的納米碳籠共同組建了一個高導(dǎo)電、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的三維sp2碳導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，不僅有利于電子的高速傳輸，同時可保證正極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該硫碳復(fù)合正極0.1 C電流密度下，可發(fā)揮1375mAh/g的比容量，并在循環(huán)200次后，容量維持在943mAh/g；1 C電流密度下循環(huán)1000次，容量保持率高達(dá)78.4%。與此同時，該電極材料具有優(yōu)異的高倍率性能，在5 C的電流密度下，容量仍可達(dá)765mAh/g。
該石墨化碳納米籠結(jié)構(gòu)的提出，為新型硫碳復(fù)合電極材料的合理設(shè)計(jì)開拓了新思路，并為開發(fā)高循環(huán)性能、高倍率性能鋰硫電池以及其它高效儲能器件開辟了新的途徑。
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