金鐘課題組在高容量、柔性可彎折鋰硫電池方面取得新進(jìn)展
當(dāng)前，隨著大量柔性電子設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，開發(fā)新型的、具有較好柔韌性的能源存儲與轉(zhuǎn)換器件顯得尤為迫切。鋰硫電池是一種高理論容量、高能量密度的新型能源存儲技術(shù)。近年來，柔性鋰硫電池的研究與發(fā)展逐漸引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。但是，柔性鋰硫電池也會受到一些關(guān)鍵問題的限制，例如，硫?qū)щ娦缘汀⒍嗔蚧囍虚g體的穿梭效應(yīng)及彎折過程中硫載體材料的結(jié)構(gòu)破壞與導(dǎo)電性嚴(yán)重降低等等。最近，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院金鐘課題組通過電紡絲結(jié)合溶劑熱過程的方法成功合成了碳納米管增強(qiáng)的“吸管狀”碳包覆CoS同軸微管納米結(jié)構(gòu)（CNTs/CoS-NSs）（圖1）。當(dāng)其用于鋰硫電池方面時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。作者也通過實(shí)驗(yàn)與理論分析發(fā)現(xiàn)，碳納米管與外層碳層的存在能夠顯著的增強(qiáng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性、提高硫正極材料的電子導(dǎo)電性；管狀纖維的強(qiáng)毛細(xì)作用可以有效的保持鋰硫電池電解液，增加電解液與活性物質(zhì)的接觸面積（圖2）；CoS的強(qiáng)化學(xué)吸附作用及電催化效應(yīng)能夠降低多硫化鋰中間體的穿梭效應(yīng)。該工作最近以“Strong Capillarity, Chemisorption, and Electrocatalytic Capability of Crisscrossed Nanostraws Enabled Flexible, High-Rate, and Long-Cycling Lithium–Sulfur Batteries”為題發(fā)表在ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b01763上，15級博士研究生馬連波為該論文的第一作者，金鐘教授為通訊作者。
S@CNTs/CoS-NSs復(fù)合材料作為鋰硫電池正極時(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能（圖3），在0.2 C的電流密度下，100次循環(huán)后容量高達(dá)1154 mAh g-1。在0.5, 1.0, 2.0, 5.0 C的電流密度下容量分別為1045, 907, 770和573 mAh/g；在1.0和2.0 C的電流密度下循環(huán)1000圈之后，硫正極的容量分別保持在675 和572 mAh g-1，庫侖效率均接近100％。
隨后，作者利用S@CNTs/CoS-NSs復(fù)合材料具有的較高導(dǎo)電性和柔韌性的特點(diǎn)，將其作為鋰硫軟包電池的硫正極，負(fù)極為鋰帶。電化學(xué)測試后發(fā)現(xiàn)（圖4），在彎折-復(fù)原的不間斷操作下，鋰硫軟包電池在0.1 C時(shí)的初始容量達(dá)到1330 mAh g-1，對應(yīng)的面積容量為5.05 mAh cm-2。繼續(xù)循環(huán)200圈后，鋰硫軟包電池的容量依然高達(dá)1060 mAh g-1 (4.03 mAh cm-2)。該電化學(xué)性能測試結(jié)果表明鋰硫軟包電池具有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性。
通過對樣品進(jìn)行表征分析，作者認(rèn)為鋰硫電池的良好的電化學(xué)性能主要來源于以下幾個(gè)方面：（1）管狀空心結(jié)構(gòu)可以負(fù)載較多的硫活性成分，并且能顯著的緩解硫在電化學(xué)過程中的體積膨脹；（2）CoS和碳納米管的高導(dǎo)電性可以提高硫正極的電子導(dǎo)電性并且增加活性硫組分的利用率；（3）CoS具有較高的化學(xué)吸附作用，能夠與多硫化鋰中間體結(jié)合，抑制其溶解與穿梭效應(yīng)的發(fā)生；（4）CoS對多硫化鋰的轉(zhuǎn)換具有很高的電催化效應(yīng)，催化多硫化鋰的快速轉(zhuǎn)化；（5）管狀材料的強(qiáng)毛細(xì)作用力能夠有效的保持電解液，使得電解液與活性組分充分的接觸。
該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省青年基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等資助。
圖1. （a）CNTs/CoS-NSs的合成示意圖；（b-d）CNTs/PAN的電子照片，SEM，TEM圖像；（e-i）CNTs/CoS-NSs的電子照片，SEM，TEM圖像；（j）S@CNTs/CoS-NSs的元素mapping。
圖2. （a）理論模擬CoS與多硫化鋰的吸附作用；（b）CNTs/CoS-NSs與對照樣品對LiS4溶液的吸附性測試；（c）電極片中模擬CNTs/CoS-NSs的分布情況；（d）CNTs/CoS-NSs與鋰硫電解液的接觸角測試；（e）CNTs/CoS-NSs中電解液的毛細(xì)作用示意圖。
圖3. S@CNTs/CoS-NSs電極在0.2 mV s-1掃速下的CV曲線；（b）S@CNTs/CoS-NSs電極在不同電流密度下的充放電曲線； S@CNTs/CoS-NSs與對照電極的（c）倍率性能和（d）0.2 C下的循環(huán)穩(wěn)定性；（e）S@CNTs/CoS-NSs電極在1.0和2.0 C下的長循環(huán)穩(wěn)定性與庫倫效率。
圖4.（a）鋰硫軟包電池的結(jié)構(gòu)示意圖；（b）鋰硫軟包電池在彎折條件下在1st，100th和200th下的充放電曲線；（c）鋰硫軟包電池在0.1 C下的循環(huán)穩(wěn)定性。插圖為鋰硫軟包電池在彎折和非彎折狀態(tài)下點(diǎn)亮“NJU”標(biāo)志LED燈的照片。
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com