独特结构的管状碳材料在锂硫电池中的应用

AFMxiongshenlin近几年来,锂硫电池作为一种新型的二次电池,越来越受到各国研究者的广泛关注。相对于传统的锂离子电池的正极活性材料,硫单质具有储量丰富,价格低廉等诸多优点。不仅如此,硫的理论比容量和能量密度分别高达1672 mAh g−1和2600 Wh kg−1。因此,锂硫电池作为一种极有潜力的储能系统,为满足现代电子器件及高级电动汽车的高能量密度的迫切需求,提供了一个很有希望的选择。但是在现阶段,锂硫电池的商业化应用依然受到诸多因素的制约。单对于电池正极来说,首先,单质硫和放电产物硫化锂是绝缘体,极大地制约了电化学反应的活性。再次,在电池充放电过程中的体积膨胀造成的结构塌陷等问题以及多硫化物在正负电极间来回穿梭,降低了电池库伦效率并引起循环性能恶化。因此,如何解决正极活性材料的导电性以及电化学反应中的穿梭效应等难题,成为了制约锂硫电池应用的主要因素之一。针对上述挑战,山东大学化学与化工学院熊胜林教授研究团队利用水热合成技术,经过高温煅烧等步骤,制备了一种微孔和空心孔径结构并存的一维管状碳材料,利用该碳材料作为硫的载体,通过熔融-扩散的方法获得碳/硫复合材料。

该碳载体外侧管壁富含丰富的微孔孔道,可以有效的通过物理吸附作用缓解多硫化物的溶出;而中间的空腔部分不仅可以负载更多的硫单质,还可以起到在充放电过程中缓解其体积膨胀的作用,进而缓解了穿梭效应。两者的结合保证了相应的碳硫复合材料良好的电化学性能。同时,通过对不同放电截止电压的对比,实现了该种硫碳复合材料在合适的工作电压窗口下容量的最大化。该研究成果为锂硫电池碳载体的优化设计提供了合理的方向。同时,这种微孔和空心孔径结构并存的一维管状碳材料也有望用于催化,超级电容器,纳米载药等研究方向。相关成果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201504835)上。