金鐘團(tuán)隊(duì)研發(fā)可快速充放電、耐高溫的鋰硫電池三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)正極材料
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院金鐘教授共同帶領(lǐng)的“先進(jìn)能源材料與器件”研究團(tuán)隊(duì)在高倍率、高耐受性能的鋰硫電池方面取得研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“Self-Templated Formation of Interlaced Carbon Nanotubes Threaded Hollow Co3S4 Nanoboxes for High-Rate and Heat-Resistant Lithium-Sulfur Batteries”為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society, 2017, 139, 12710-12715。陳濤博士為論文第一作者，本科四年級(jí)學(xué)生張澤文為論文第二作者。
圖1. S@CNTs/Co3S4-NBs正極和S@Co3S4-NBs 正極的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)對(duì)比示意圖。
圖2. S@CNTs/Co3S4-NBs正極合成過(guò)程示意圖（a）和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)示意圖（b）。CNTs/Co3S4-NBs的SEM 圖（c）和TEM圖（d-h）。S@CNTs/Co3S4-NBs的SEM圖（i）和TEM圖（j）。
現(xiàn)階段，鋰硫電池普遍采用的傳統(tǒng)醚類電解液的沸點(diǎn)和閃點(diǎn)較低，無(wú)法滿足電池在高溫下的工作需求；同時(shí)，高溫工作環(huán)境也會(huì)加速多硫化鋰在電解液中的溶解，從而引發(fā)嚴(yán)重的“穿梭效應(yīng)”。針對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種自模板合成法，將ZIF-67在碳納米管（CNTs）的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上成核形成納米立方體，然后將CNTs/ZIF-67前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為碳納米管/Co3S4空心納米盒子（CNTs/Co3S4-NBs）。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：
Ø 提供了一個(gè)微區(qū)化和整體化的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（特別是Co3S4空心納米盒子內(nèi)部的活性硫），顯著提高活性硫的利用率和倍率性能。
Ø 可加速電子傳輸并且縮短了鋰離子擴(kuò)散路徑，從而促進(jìn)電化學(xué)氧化還原過(guò)程的動(dòng)力學(xué)行為。
Ø 提高了電極/電解液接觸面積（尤其是內(nèi)部縱深位置的活性硫）并且提供了更多的開放通道以便電解液滲透。
圖3. 基于S@CNTs/Co3S4-NBs正極的鋰硫電池的電化學(xué)性能。
圖4. 循環(huán)后的電極片浸泡在電解液中得到的紫外吸收曲線（a）；S@CNTs/Co3S4-NBs正極在50°C下，0.2 C時(shí)的循環(huán)性能（b）；在50°C下，S@CNTs/Co3S4-NBs正極的倍率性能（c,d）。
研究結(jié)果表明，這種S@CNTs/Co3S4-NBs正極材料具有非常出色的高倍率性能。此外，該電極在醚類電解液中和50°C下，以0.2 C充放電循環(huán)300次后，其放電比容量仍可維持在718 mAh/g，這為研發(fā)和設(shè)計(jì)耐高溫的鋰硫電池正極材料提供了嶄新的思路。
近兩年以來(lái)，該課題組在鋰硫電池正極材料方面已經(jīng)開展了深入的研究（Nano letters, 2016, 17, 437; Nano Energy, 2017, 38, 239; ACS Nano, 2017, 11, 7, 7274）。這些研究工作得到了973計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
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