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利用三维多级结构碳材料构建高硫负载的锂硫电池
随着便携电子产品和电动汽车对电池续航能力的需求，开发高能量密度的储能电池具有重要意义。与锂离子电池相比，锂硫电池具有高比容量（1675 mAh g−1）和高体积能量密度（2.8 kWh L−1），被视为一种理想的下一代二次电池系统。
锂硫电池体系以单质硫为正极，金属锂为负极，并通过S与Li2S之间的可逆反应实现能量的存储与释放。虽然，元素硫具有储量丰富、成本低廉、环境友好等优点；然而，硫及其放电产物硫化锂的差导电性严重降低了锂硫电池的电子传输效率及电化学反应效率。同时，锂硫电池在充放电过程中形成的多硫化物可溶于电解液，导致正电极活性物质减少，从而缩短电池寿命。大量研究表明，导电的多孔碳材料作为硫的载体，能够有效提高硫正极的导电性并抑制多硫化锂的溶出。一方面，虽然增加碳材料的比例会提高锂硫电池的稳定性，但非活性碳材料的增加必然会降低电池的能量密度。目前报道的碳硫复合材料的硫负载量普遍低于70 wt%，极大地降低了锂硫电池的应用前景。另一方面，受制于碳材料的比表面积和孔体积，过高比例的硫不能很好的固定在导电碳的孔隙内，会在在碳材料的外表面发生聚集，大大降低了复合材料的电导率。在充放电过程中，这部分未被固定的硫极易流失，致使高硫负载的锂硫电池稳定性变差。因此，如何提高正极中的硫负载量并实现有效利用一直以来备受研究者们的高度关注。
图1. 分级多孔碳的制备与表征
为实现高硫负载，并兼具较好的循环稳定性和快速充放电，理想的碳支撑材料必须具备以下条件：（1）足够高的比表面积和孔体积用于固定硫以及硫化锂的沉积；（2）开放性的导电框架结构保证电子和离子的传输。基于此，厦门大学的郑南峰（点击查看介绍）和方晓亮（点击查看介绍）研究团队基于模板法设计并制备了一种由垂直定向多孔碳片组成的分级多孔碳棒（HPCR），并用其作锂硫电池正极的支撑材料（参见图1）。他们结合一维多孔碳棒和二维多孔碳片的对比研究，系统分析了该三维多级多孔碳材料在锂硫电池中的结构优势。由于具有高的比表面积（2226 cm2 g-1）和孔体积（4.9 cm3 g-1），以及垂直多孔碳片相互连接形成的导电骨架，HPCR可轻松固定其自身质量3.7倍的硫（质量分数为78.9 wt%）。当用作锂硫电池的正极时，在1 C（1C = 1675 mA g-1）倍率下300次循环后可逆容量仍约700 mAh g-1。并且在较大倍率（5 C）下充放电时，可逆容量仍可达646 mAh g-1。相比之下，一维多孔碳棒和二维多孔碳片虽然在小倍率下表现不俗，在5 C倍率下容量却迅速下降（参见图2），由此验证该多级结构在较高硫负载的情况下仍保证较好的电子和离子的传输。进一步负载其自身质量约8.1倍的硫（质量分数为88.8 wt%）时，HPCR仍然表现出良好的倍率性能（3 C 倍率下可逆容量为545 mAh g-1）和循环稳定性（1 C倍率下200次循环后可逆容量可达632 mAh g-1）。由于实现超高硫负载，使用传统工艺涂片制得正极的硫含量高达71%，涂覆密度为1.95g cm-3，0.5C倍率下的稳定体积比容量高达1050 mAh cm-3。
图2. 分级多孔碳用于锂硫电池的优势
该工作为实现高硫负载的锂硫电池提供了新思路，所得多级结构碳材料在超级电容器、催化和污染物去除等研究领域具有潜在的应用前景。相关论文发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201601897)上，第一作者为厦门大学博士生郑宗敏。
该论文作者为：Zongmin Zheng, Hongchen Guo, Fei Pei, Xin Zhang, Xinyi Chen, Xiaoliang Fang, Taihong Wang, Nanfeng Zheng
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201601897/full
High Sulfur Loading in Hierarchical Porous Carbon Rods Constructed by Vertically Oriented Porous Graphene-Like Nanosheets for Li-S Batteries
Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201601897
导师介绍
郑南峰教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/14044
方晓亮教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/31101