一种用于锂-硫电池正极材料的生物质转化导电网络内嵌型分级多孔碳

ChemNanoMat

锂-硫电池因其低成本、高比能量的显著优势,被视为“后锂离子电池”时代最具竞争力的化学电源之一。然而,硫正极电导率低下,难以满足电池实际工作要求,同时在充放电过程中会形成可溶性多硫化物并引发穿梭效应,造成容量迅速衰减,这些问题严重阻碍了锂-硫电池的实际应用。目前大部分研究工作主要集中在设计合适的多孔碳结构以将活性硫保持在正极一侧,对于正极硫及其放电产物的导电性研究则少有报道。

为了解决硫正极的上述问题并提高其实用性,合肥工业大学从怀萍教授研究组与中国科学技术大学俞书宏教授研究组提出了一种易于放大的合成方法来制备低成本、高性能的硫正极。此法是由常见的生物质多糖–海藻酸钠直接高温热解得到分级多孔碳(HPC),并进一步将硫负载其中,制得复合硫正极材料。分级多孔碳基底的大孔结构能够有效容纳硫在循环过程中的体积变化,介孔和微孔结构则有利于将可溶性多硫化物保持在正极侧,从而有效提高硫正极的循环稳定性。

针对硫正极导电性差的缺点,研究人员进一步将多壁碳纳米管(CNT)内嵌到HPC中形成导电网络,并进一步将硫引入制备出硫-碳复合正极材料S/(CNT@HPC)。碳纳米管在体相材料内部提供了高效稳定的电子传输通道,使硫正极的导电性得到显著提高,同时还有助于提升复合材料的结构刚性。为了克服放电产物Li2S在去锂化过程中的电化学势垒,研究人员在充电程序结束后增加一步恒压充电过程,发现硫正极去锂化过程的电化学反应活性得到显著提高,从而有利于提高正极材料的可逆容量和容量保持率,并降低其极化。这项工作为锂-硫电池正极材料的结构设计和性能优化提供了一条简单易行的新思路。该工作发表在WILEY出版社旗下ChemNanoMat上(ChemNanoMat, 2016, DOI: 10.1002/cnma.201600065)。