Small Methods:三维多功能海绵状结构体用于高性能锂硫电池

近年来移动电子设备、电动汽车和智能电网的飞速发展对高能量密度电池体系的需求不断加大。以单质硫为正极、金属锂为负极的锂硫电池的理论能量密度高达2600 Wh kg-1,且硫的资源丰富、成本低廉且环境友好,因此锂硫电池被认为是极具发展前景的下一代高性能电池体系。但由于硫的电导率低、充放电中间产物多硫化物易溶于电解液,且充放电时体积变化较大,锂硫电池通常面临着活性物质利用率低、循环稳定性差、库伦效率低等问题,严重制约了其大规模商业化应用。因此,发展高面容量且高硫利用率的硫电极是锂硫电池研究的一个重要课题。

三维多功能海绵状结构:(a) 制备过程示意图,(b-e) 形貌表征,(c) 循环性能

近期,中国科学院金属研究所先进炭材料研究部李峰研究员、刘畅研究员与澳大利亚科廷大学蒋三平教授合作报道了三维海绵状结构体来制备硫电极,实现了高面容量锂硫电池。将天然棉花纤维经过高温活化造孔得到的氮掺杂多孔碳纤维泡沫,其比表面积高达2290 m2 g-1,孔容为1.46 cm3 g-1,孔径尺寸在分布在1 nm~4 nm。氮掺杂多孔碳纤维泡沫作为硫载体,并在电极表面覆盖一层高导电石墨烯薄膜作为间隔层,得到了硫载量为7.7 mg cm-2,硫含量为75%的多功能三维一体化电极。该三维电极有助于实现较高的硫载量和较高的硫利用率,并可以对多硫化物实现物理及化学多重限域作用,经过500次循环后,电极面容量稳定在4.74 mAh cm-2,对应的平均单次容量衰减率仅为0.097%,且库伦效率稳定在98.5%以上,说明一体化电极具有优异的循环稳定性。

相关工作已发表于Small Methods(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.201800067)

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