管中管复合碳纳米材料有效提高锂硫电池性能

AM锂硫电池因其高的比容量和能量密度(为目前商品化锂离子电池的3-5倍),以及低成本、环境友好和较好的安全性能等优点,被视为最有发展前景的下一代电池。然而,锂硫电池在实际应用中仍存在着硫的电导率低、放电过程中多硫化物的溶解、以及硫电极的体积膨胀等问题。这些问题限制了锂硫电池的实际应用,导致硫正极的循环寿命短、容量衰减快以及能量效率低等。在提高锂硫电池性能的各类方法中,使用各种碳材料(包括多孔碳、碳纳米管以及石墨烯等)来负载硫,被认为是最有效的方法之一。其中,多孔碳材料具有高的比表面积和孔体积,可有效抑制多硫化物的溶解从而提高硫正极的比容量和循环性能。但是其较多的结构缺陷导致其导电性较差,限制了硫正极倍率性能的提高。而碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料因其高的导电能力可显著提高硫的倍率性能,但其较低的孔隙率会导致硫和电解液的直接接触,使得循环过程中活性物质发生溶解而降低循环性能。因此,为了克服单一碳材料的局限性从而进一步提高锂硫电池的性能,设计并合成兼具高导电性和多孔结构的新型复合碳材料显得至关重要。

近期,中国科学院福建物质结构研究所官轮辉课题组与新加坡南洋理工大学徐梽川教授合作,通过新颖的结构设计,将多壁碳纳米管填充在空心的多孔碳纳米管中,合成出一种新型的管中管复合碳纳米材料。作为硫的优良载体,复合碳材料中的多壁碳纳米管和表面碳层可提供良好的导电能力,从而提高硫的倍率性能。同时,外层多孔碳管的微孔和介孔结构可有效抑制多硫化物的溶解。此外,该管中管结构可提供大的孔体积来提高硫的负载量并有效缓冲活性材料在充放电过程中的体积变化。因此,所合成的硫/碳复合材料(71wt%硫负载量)作为锂硫电池正极可以表现出高的比容量、良好的循环性能和优异的倍率性能(在2 A/g的电流密度下经过200次循环后比容量仍然保持在647 mAh/g)。该研究表明,设计合成具有大孔体积的复合碳材料可作为一种有效的策略来提高锂硫电池的电化学性能和能量密度。