具有高活性纳米钴嵌入物和氮掺杂剂的超结构多孔炭纳米片的设计及其用作高性能锂硫电池正负极两用载体的研究

随着高能耗便携式电子设备、电动交通工具和空间技术等新型技术的迅猛发展，人们对高能量、高安全性能电化学储能系统的需求日益增强。基于硫单质正极和锂金属负极的锂硫电池具有理论能量密度高、成本低和环保无污染等优势，是一种极具潜力的新型化学电源，已成为近年来二次电池领域中的研究前沿和热点之一。然而，硫正极的缓慢反应动力学和穿梭效应严重影响了电池的倍率特性和使用寿命；同时，锂金属负极的枝晶问题也带来了极大的安全隐患，严重制约了锂硫电池的实际应用。电极材料的创新是决定锂硫电池性能突破的关键所在，当前的研究思路多集中于开发一种先进的载体材料改善单侧电极的性能，难以整体提升锂硫电池的性能。

针对这一问题，中山大学的吴丁财教授（点击查看介绍）课题组提出一种“二合一”的策略，利用具有高活性纳米钴嵌入物和氮掺杂剂的超结构多孔炭纳米片（Co/N-PCNSs）作为锂硫电池的正负极两用载体，协同提高其电化学性能。他们通过含钴的有机-无机杂化纳米颗粒（Co/Zn-ZIF）与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在氧化石墨烯表面协同自组装以及随后的高温炭化和酸刻蚀处理，即可制得Co/N-PCNSs。Co/N-PCNSs的杂化骨架由氮掺杂局域石墨化碳层封装的钴纳米颗粒、氮掺杂无定形炭和石墨烯组成，具有层次化的微孔-中孔-大孔结构特征，比表面积高达500 cm•g^-1，因此可同时用作高性能锂硫电池载硫和载锂材料。实验和理论计算结果表明，Co/N共修饰具有独特的高功能协同效应：氮掺杂石墨化碳封装的钴纳米颗粒不仅可以通过电子转移作用与氮原子协同抑制多硫化锂的穿梭效应，还可以提高硫正极的氧化还原反应动力学；与此同时，Co/N-PCNSs的高比表面积和大量亲锂氮原子可促进锂金属在其多层次孔道的均匀沉积，从而有效抑制锂枝晶的生长。因此，基于载硫Co/N-PCNSs正极和载锂Co/N-PCNSs负极的锂硫全电池具有优异的循环稳定性。该研究不仅为深入理解过渡金属/层次孔炭复合材料的固硫机制提供了新的视角，同时也对高性能锂硫电池器件的开发提供了全新的思路。

图1.（a）具有高活性纳米钴嵌入物和氮掺杂剂的超结构多孔炭纳米片的构筑策略及（b-g）纳米结构表征

图2. S@Co/N-PCNSs正极的电化学性能表征

图3.（a-e）Li@Co/N-PCNSs负极的性能表征；（f）基于S@Co/N-PCNSs正极和Li@Co/N-PCNSs负极（3 mA•h•cm^-2，红线）、Li@铜箔负极（3 mA•h•cm^-2，黑线）以及Li箔负极（100 mA•h•cm^-2，绿线）的锂硫电池性能表征

图4. 基于密度泛函理论的（a-d）Li₂S₄吸附机制以及（e, f）Li₂S分解能垒的计算结果

相关工作发表在Advanced Materials 上。文章的通讯作者为中山大学的吴丁财教授，第一作者为中山大学的刘绍鸿副研究员和清华大学深圳研究生院的李佳副教授、研究生严雪，合作者包括中山大学的符若文教授、大连理工大学的邱介山教授和王治宇教授。

该论文作者为：Shaohong Liu, Jia Li, Xue Yan, Quanfei Su, Yuheng Lu, Jieshan Qiu, Zhiyu Wang, Xidong Lin, Junlong Huang, Ruliang Liu, Bingna Zheng, Luyi Chen, Ruowen Fu, Dingcai Wu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Superhierarchical Cobalt‐Embedded Nitrogen‐Doped Porous Carbon Nanosheets as Two‐in‐One Hosts for High‐Performance Lithium–Sulfur Batteries

Adv. Mater., 2018, 30, 1706895, DOI: 10.1002/adma.201706895

吴丁财教授简介

吴丁财，中山大学教授，博士生导师；2006年在中山大学获得博士学位，专业为高分子化学与物理，毕业后留校任教，历任讲师、副教授、教授，目前担任中山大学化学学院院长助理、材料科学研究所副所长、聚合物复合材料及功能材料教育部重点实验室副主任；主要从事多孔高分子及其多孔炭材料的研究，已在Chem. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc. 和Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表100余篇SCI论文；获得2012年教育部新世纪优秀人才、2014年国家优秀青年科学基金获得者、2014年中组部青年拔尖人才。

http://www.x-mol.com/university/faculty/15422