应用于锂硫电池的三维垂直排列多孔碳基材料

开发高能量密度与高功率密度的能量储存装置,对于现代社会的发展具有重要意义。锂硫电池作为新一代储能装置,正极材料硫,不仅储量丰富,理论容量高,达1675 mAh g-1,并且相比于目前已获得广泛应用的锂离子电池,锂硫电池的理论能量密度达到了锂离子电池理论能量密度的5倍以上,约为2600 Wh kg-1,同时具有环境友好、低成本等优势,表现出了较高的应用潜力。虽然锂硫电池具有较高的应用价值,但也存在一定问题,例如硫的导电性差、充放电过程中体积变化大,尤其是形成的多硫化锂中间产物,其在正负极之间的穿梭作用,会显著降低锂硫电池的容量与循环稳定性,成为锂硫电池发展中亟待解决的关键问题。

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为解决这些锂硫电池领域中的相关问题,北京大学工学院材料科学与工程系的侯仰龙教授和他的博士生Sarish Rehman及合作者郭少军研究员,以简单的一步碳化方式,制备了三维垂直排列多孔碳基材料。在该制备方法中,只需使用琼脂为原料,经高温碳化处理,即可制得三维垂直排列的多孔碳基材料,作为锂硫电池的硫载体使用。该碳基载体材料具有丰富的孔隙结构,比表面积达1750 m2/g。这种结构不仅可使硫均匀的分布于基底材料中,提高材料的硫负载量,并可与电解质充分接触;该材料所具有的孔隙结构,还可以有效抑制多硫化物的穿梭效应,有效提升锂硫电池的循环性能。该三维多孔碳层材料在837 mA/g的电流下,循环300圈后,容量维持在844 mAh/g,容量保留达到80.3%,每圈仅衰减0.082%,展现出了良好的循环稳定性;与此同时,该电极材料同样具有出色的倍率性能,在3340 mA/g的电流下,容量可达738 mAh/g。

该工作所使用的原料成本低廉,以简单的一步法制备了三维多孔碳基材料,为高性能锂硫电池碳基材料的设计与应用提供了一种有效方法。

相关结果发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201502518)上。