杂化纳米碳用于高性能锂硫电池

随着个人便携式电子设备、电动汽车以及可再生能源的飞速发展,具有高能量密度和高功率密度的电化学储能系统正受到高度的关注。碳材料以其优异的导电性、化学稳定性、机械强度以及丰富的孔结构成为构建高性能电极材料的重要组成部分,支撑着电化学储能元件如锂电池、超级电容器等的储能特性。例如,锂硫电池由于其远超传统的锂离子电池接近四倍的、高达2600 Wh L-1的理论能量密度,近年来正成为储能研究的热点。然而其实际应用仍然受限于较低的活性材料利用率、较低的效率、不理想的倍率性能和较差的循环寿命。这些问题主要来源于正极材料硫及其放电产物的高度电子/离子绝缘性以及多步电化学反应中具有高度溶解性的多硫化物中间产物。具有优异性能和合理纳米结构的碳材料是解决这些问题的优良途径。在碳材料家族中,具有sp2杂化掌控的纳米碳材料如碳纳米管、石墨烯等由于其优良的石墨结构、低的结构缺陷而具有优异的导电性和机械强度,是构建复合电极材料的优良候选。但其往往受限于纳米碳由于相互堆叠造成的低比表面积和孔结构。而以活性炭、介孔碳为代表的另一类碳材料则具有很高的比表面积和丰富可调的孔结构,在早期的锂硫电池研究中起到了先锋作用,但却由于其较多的结构缺陷而具有较差的导电能力,因此限制了锂硫电池的倍率性能。鉴于上述两种典型的碳材料均不能单独满足锂硫电池正极材料发展的需要,兼具高导电性和丰富孔结构的新型碳材料需要得到进一步的研究。

近期,清华大学张强、魏飞团队通过原位的化学气相沉积、碳热解以及化学活化的方法得到了一种碳纳米管/石墨烯/多孔碳的新型碳纳米杂化结构,其三维交联的碳纳米管/石墨烯网络提供了超过商用导电炭黑、活性炭几十倍的电子导率,而表面原位沉积的多孔碳层提供了高的比表面积和丰富的微孔/介孔结构,以用于储存纳米尺度的硫分子团簇并且提供互联通的离子通道。同时其多级孔结构在一定程度上也延缓了多硫化物向电解液主体中的溶解于扩散。因此基于这种新型碳纳米结构的锂硫电池在高达16.7 A g-1的电流密度下获得了超过800 mAh g-1的电化学容量,这意味着在六分钟内完成一次充放电循环,释放出超过传统锂离子电极材料两到三倍的能量。

该工作表明,兼具高导电性和丰富孔结构的先进碳材料在电化学储能器件的研究中仍然具有重要的地位。这种新型的杂化纳米碳还具有在超级电容器、金属-空气电池盒钠离子电池/电容中发挥重要作用的潜力。