用于鋰硫電池的三維共價連接的sp2雜化碳納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計取得新進展
時間：2021-04-12 23:37:03學(xué)院：化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院學(xué)校：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
鋰硫電池由于極高的理論容量（2567 w h kg-1）成為目前鋰基電池研究的重點之一。目前，鋰硫電池面臨的主要問題包括：1）硫正極電導(dǎo)率低（5 × 10-30?S cm-1）導(dǎo)致倍率性能差；2）多硫化鋰溶于電解液導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差；3）金屬鋰負極長循環(huán)后產(chǎn)生枝晶引起安全隱患。針對硫正極的問題，主要通過制備碳/硫復(fù)合材料的思路來解決，利用碳材料可控的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電能力和化學(xué)穩(wěn)定性來提高硫的導(dǎo)電能力，并限制多硫化物的溶出。而鋰負極問題的解決思路包括：電解液添加劑，形成高模量的固態(tài)電解質(zhì)和人工構(gòu)筑物理保護層等，來抑制金屬鋰枝晶的生長。
? 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)季恒星教授課題組近期設(shè)計了由sp2雜化碳納米結(jié)構(gòu)通過共價連接形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，成功的將碳納米管陣列通過C-C鍵接枝在多孔泡沫石墨上。在微觀結(jié)構(gòu)上，共價連接消除了納米結(jié)構(gòu)單元間的界面電阻，sp2雜化碳納米結(jié)構(gòu)提供了可以長程傳輸?shù)妮d流子。在宏觀結(jié)構(gòu)上，這種材料具有完整、連續(xù)的表觀結(jié)構(gòu)，12.4 mg cm-3的密度、250 m2?g-1的比表面積、百微米長的納米孔道和95 wt%的碳含量，可同時用做鋰硫電池正、負極集流體。在正極方面，共價連接的網(wǎng)絡(luò)使得硫正極在8C倍率循環(huán)下獲得高達860 mA h g-1的比容量，多級孔結(jié)構(gòu)的存在成功抑制了“穿梭效應(yīng)”使每圈容量衰減率低至0.063%。在負極方面，三維集流體使電極的有效面積提高，使鋰枝晶的成核時間增長了50倍、生長速率降低至1/7，抑制了枝晶生長，提高了電池安全性。相關(guān)結(jié)果以“Covalently Connected Carbon Nanostructures for Current Collectors in Both the Cathode and Anode of Li-S Batteries”為題發(fā)表于《先進材料》雜志(Advanced Materials, 2016, DOI:10.1002/adma.201602704)。論文的第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院博士研究生金松，論文通信作者是季恒星教授。
上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院人才計劃能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的大力支持。
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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201602704/full。
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