锂硫电池获得关键性突破:三维“迷宫”超多枝空心碳纳米棒在高性能锂硫电池上的应用

随着智能手机、电动汽车、智能电网和太阳能风能等清洁能源的蓬勃发展,锂电池比容量较低的短板效应日益凸显。锂硫电池以其高理论比容量(1675  mAh/g, 约为锂电池比容量的五倍)、储存量丰富、成本低廉和环境友好等优点引起了广泛的关注,并被视为最有前途的储能系统。但其广泛应用还受到一些因素的制约,比如硫单质的导电性差不利于其倍率性能、可溶性多硫化物引起的“穿梭效应”并导致容量下降、体积膨胀问题可能引起电极材料脱落等。目前,主要有三种方法用于改善上述问题,比如通过将硫单质寄宿在具有规则孔道的碳材料或碳纳米管/碳空心球中,使用导电聚合物包覆硫单质和添加一些锂盐(LiNO3)到电解液中等手段以提高其导电性、钝化锂金属的活性和抑制“穿梭效应”,从而在一定程度上达到了提高其比容量、改善倍率特性和延长循环性能的效果。但是制约锂硫电池的问题依然没有完全解决。

针对这些问题,悉尼科技大学清洁能源技术研究中心的汪国秀教授和他的博士生陈双强等研究者以三维“迷宫”超多枝氧化镁(MgO)纳米棒为模板,通过化学气相沉积法成功制备出三维超多枝空心碳纳米棒(如图)。该碳材料最大特点是大量方向各异的枝干垂直于主干,并重叠往复形成三维“迷宫”结构,这对存储硫单质和抑制多硫化物溶出现象具有显著作用,类似于“迷失”在三维“迷宫”中。而且该碳材料的壁厚仅有10.1 nm,有助于锂离子的嵌入与脱出。经过循环伏安法测试,该碳硫复合材料显示出锂硫电池典型的电化学反应和优越的循环性能。通过与硫单质的对比,该碳硫复合材料不但有效抑制了“穿梭效应”,而且展示了很高的比容量(995 mAh/g,1C)、优良的循环性能(934.5 mAh/g,经过500次的测试该材料的容量依然保持了原有容量的94.4%)和良好的倍率性能(倍率性能可高达10C,并循环500圈容量没有明显衰减)。

实验证明,三维“迷宫”超多枝空心碳纳米棒储硫材料具有优越的电化学性能。模板辅助-气象沉积方法可以有效地制备很多形状各异、功能繁多的碳材料,并且该三维“迷宫”超多枝空心碳纳米棒也可以应用在其他研究领域,比如锂离子电池,钠离子电池,锂空气电池,药物运载和电催化等方面。