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 發布日期：2017/3/16 關注次數：
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隨著電動汽車和便攜式電子設備的發展，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電源，具有高理論能量密度，成本低，環境友好的優勢, 成為近年來高能量密度二次電池領域中的研究前沿和熱點之一。然而，鋰硫電池目前仍面臨諸多問題，包括單質硫的低電化學活性，中間產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，以提高硫電極導電性、抑制多硫化鋰的溶出。
傳統的石墨化sp2碳材料（如石墨烯，碳納米管等）具有優異的導電性、機械柔性，以及化學和熱學穩定性，非常適合作為導電負載基底應用到各類儲能電極材料中。然而研究發現，傳統sp2碳材料在作為硫正極載體材料使用時，并不能夠充分發揮其優勢。因為此類sp2碳通常具有較低的孔隙率，在形成硫碳復合物時，硫主要依靠弱吸附力附著于碳基底表面。這不利于單質硫在導電碳基體上的分散；且在長循環過程中，多硫化鋰也極易向電解液中擴散，造成活性物質損失，進而導致電池性能衰減。因而，設計構筑新型sp2碳結構，使其成為高效的載硫基體，對于研發高性能硫正極具有重要意義。
近期，中國科學院化學研究所郭玉國教授課題組開發出一種獨特的石墨化碳納米籠結構的sp2型碳材料，并將其作為硫載體，應用在高倍率長壽命鋰硫電池。該碳材料具有三維夾層結構，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構單元。該石墨化碳納米籠由幾層石墨化sp2碳包圍形成，內部空腔直徑約為3~5nm。采用溶液法將納米硫負載入石墨化碳籠單元內。該結構作為活性硫的微型電化學反應器具有較大的孔體積，在高硫負載量（77wt%）情況下，不僅可以實現納米硫的高效分散、充分發揮其電化學活性，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電、結構穩定的三維sp2碳導電網絡，不僅有利于電子的高速傳輸，同時可保證正極結構的穩定性。該硫碳復合正極0.1 C電流密度下，可發揮1375mAh/g的比容量，并在循環200次后，容量維持在943mAh/g；1 C電流密度下循環1000次，容量保持率高達78.4%。與此同時，該電極材料具有優異的高倍率性能，在5 C的電流密度下，容量仍可達765mAh/g。
傳統的石墨化sp2碳材料（如石墨烯，碳納米管等）具有優異的導電性、機械柔性，以及化學和熱學穩定性，非常適合作為導電負載基底應用到各類儲能電極材料中。然而研究發現，傳統sp2碳材料在作為硫正極載體材料使用時，并不能夠充分發揮其優勢。因為此類sp2碳通常具有較低的孔隙率，在形成硫碳復合物時，硫主要依靠弱吸附力附著于碳基底表面。這不利于單質硫在導電碳基體上的分散；且在長循環過程中，多硫化鋰也極易向電解液中擴散，造成活性物質損失，進而導致電池性能衰減。因而，設計構筑新型sp2碳結構，使其成為高效的載硫基體，對于研發高性能硫正極具有重要意義。
近期，中國科學院化學研究所郭玉國教授課題組開發出一種獨特的石墨化碳納米籠結構的sp2型碳材料，并將其作為硫載體，應用在高倍率長壽命鋰硫電池。該碳材料具有三維夾層結構，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構單元。該石墨化碳納米籠由幾層石墨化sp2碳包圍形成，內部空腔直徑約為3~5nm。采用溶液法將納米硫負載入石墨化碳籠單元內。該結構作為活性硫的微型電化學反應器具有較大的孔體積，在高硫負載量（77wt%）情況下，不僅可以實現納米硫的高效分散、充分發揮其電化學活性，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電、結構穩定的三維sp2碳導電網絡，不僅有利于電子的高速傳輸，同時可保證正極結構的穩定性。該硫碳復合正極0.1 C電流密度下，可發揮1375mAh/g的比容量，并在循環200次后，容量維持在943mAh/g；1 C電流密度下循環1000次，容量保持率高達78.4%。與此同時，該電極材料具有優異的高倍率性能，在5 C的電流密度下，容量仍可達765mAh/g。
該石墨化碳納米籠結構的提出，為新型硫碳復合電極材料的合理設計開拓了新思路，并為開發高循環性能、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。
豐鎮市宏升炭素有限公司創立時便確立了"科技,創新,領先"的發展戰略,秉承"質量第一,服務至上"的經營理念,經過工藝提升,品質完善,市場開拓,宏升炭素已成為晉,冀,蒙地區最大的石墨化加工企業.主營業務有山西石墨電極,石家莊石墨電極,大同碳化硅.
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