用于锂硫电池的含单壁碳纳米管/硫纳米复合正极材料

通信、交通、电子产业的迅速发展对高能量、高功率密度的电化学储能器件提出了更高的需求。锂硫电池正极硫具有极高的本征容量,是普通锂离子电池正极材料的8-12倍,因此成为最有潜力实现实用的高端储能器件。但是锂硫电池性能的充分体现遇到了硫/硫化锂导电性差、体积膨胀严重、以及活性组分在正负极中穿梭效应显著这样的技术瓶颈。发展纳米碳和硫复合形成纳米复合电极是解决上述问题的有效的途径。这是由于纳米碳本身具有优异的导电性、丰富的孔结构、以及可调的表面化学性质,从而能够使复合电极具有较好的电子/离子通道、合适的容胀空间、以及可控的传质过程。因此,碳纳米管、石墨烯、介孔炭、活性炭纤维、碳纳米管/石墨烯杂化物等都是有效改善硫正极的有效填料。单壁碳纳米管相比上述纳米碳材料,其具有更完美的共轭结构,更高的比表面积,以及更好的导热性能。因此,其在锂硫电池正极材料领域具有更好的应用潜力。

清华大学化学工程系张强教授(ResearcherID)的研究组在实现碳纳米管宏量制备的基础上,采用流化床法批量制备的单壁碳纳米管做为硫正极的结构助剂,制备了用于锂硫电池的含单壁碳纳米管-硫同轴纳米线的复合正极材料。在该正极材料中,碳纳米管被硫均匀包覆,形成了同轴纳米线结构,赋予了复合正极材料优异的导电性和锂离子存储活性。为了进一步限制多硫化物在正负极之间的穿梭,通过引入聚乙二醇高分子物理层作为阻隔剂。这种高分子改变了碳纳米管表面的亲疏水性,赋予了复合正极表面更为丰富的醚键,从而使多硫化物在碳纳米管到电解液之间形成一个有效的浓度梯度,减少了多硫化物在电解液的过量溶解,从而赋予了锂硫电池正极具有1005mAh g-1的初始放电容量,其电极的稳定性显著提升,每次循环的衰减速率仅为0.36%。该性能显著优于已报道的多壁碳纳米管等纳米碳材料的性能。这种同轴纳米复合结构不仅预示了碳纳米管在锂硫电池应用的广阔前景,还为制备更为高端的超级电容器电极、锂离子电池电极、多相催化、功能复合材料以及药物缓释等应用提供纳米复合结构基础。