海膽狀碳納米管/納米多面體超結(jié)構(gòu)用于長(zhǎng)壽命鋰硫電池

彭翃杰 張 強(qiáng)

(清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京100084)

海膽狀碳納米管/納米多面體超結(jié)構(gòu)用于長(zhǎng)壽命鋰硫電池

彭翃杰 張 強(qiáng)

(清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京100084)

(1)Yin,Y.X.;Xin,S.;Guo,Y.G.;Wan,L.J.Angew.Chem.Int.Ed. 2013,52,13186.doi:10.1002/anie.201304762

(2)Liang,J.;Sun,Z.H.;Li,F.;Cheng,H.M.Energy Storage Mater. 2016,2,76.doi:10.1016/j.ensm.2015.09.007

(3)Peng,H.J.;Zhang,Q.Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,11018. doi:10.1002/anie.201505444

(4)Chen,T.;Cheng,B.;Zhu,G.;Chen,R.;Hu,Y.;Ma,L.;Lv,H.; Wang,Y.;Liang,J.;Tie,Z.;Jin,Z.;Liu,J.Nano Lett.2016,doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04433

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10.3866/PKU.WHXB201612121www.whxb.pku.edu.cn

過(guò)去的二十多年中，鋰離子電池由于較高的能量密度逐漸占有能源存儲(chǔ)市場(chǎng)，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中。近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源等高端應(yīng)用的發(fā)展對(duì)二次電池的性能提出了更高的要求。開(kāi)發(fā)更高能量密度的二次電池體系勢(shì)在必行。以單質(zhì)硫?yàn)檎龢O，能提供高達(dá)1675 mAh·g－1的理論容量，與金屬鋰負(fù)極構(gòu)建鋰硫電池，理論能量密度可達(dá)2600 Wh·g－1，具有很好的應(yīng)用前景1。另外，單質(zhì)硫儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好，具有很好的應(yīng)用前景。然而單質(zhì)硫的電化學(xué)特性使得鋰硫電池具有固有的難題：(1)硫及放電產(chǎn)物電子/離子導(dǎo)率低；(2)中間產(chǎn)物多硫化物易溶解流失；(3)充放電過(guò)程中正極材料體積變化大。這些問(wèn)題使得實(shí)際的鋰硫電池容量低、衰減快、循環(huán)壽命短。同時(shí)考慮到實(shí)用化場(chǎng)合，現(xiàn)有的正極中硫的單位面密度偏低(小于2 mg·cm－2)，削弱了鋰硫電池相對(duì)傳統(tǒng)鋰離子電池的競(jìng)爭(zhēng)力。

設(shè)計(jì)理想的硫正極骨架材料是解決上述問(wèn)題的重要途徑。納米碳基材料由于其高導(dǎo)電性、高比表面積和可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)成為最受關(guān)注的一類(lèi)硫正極骨架材料2。然而碳基材料非極性的特性使其不能有效吸附極性的多硫化物3。因此對(duì)納米碳基材料進(jìn)行必要的極性修飾將強(qiáng)化骨架材料對(duì)多硫化物的吸附特性，從而提升電池性能。現(xiàn)有的骨架材料往往需要復(fù)雜的制備工藝，同時(shí)其結(jié)構(gòu)難以同時(shí)滿足上述所有需求，進(jìn)而制約了鋰硫電池性能的提高。

在近期發(fā)表的Nano Letters雜志上，南京大學(xué)金鐘、劉杰課題組4報(bào)道了一種海膽狀的、金屬鈷納米顆粒和氮原子共修飾的碳納米管/納米多面體超結(jié)構(gòu)(Co-NCNT/NP)作為理想的硫正極骨架材料。這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)一步法在還原氣氛下熱解鋅/鈷雙金屬類(lèi)沸石咪唑骨架材料得到，合成方法非常簡(jiǎn)便。一方面，有機(jī)質(zhì)熱解過(guò)程中金屬鋅的揮發(fā)有利于微孔/介孔多級(jí)結(jié)構(gòu)多面體的形成；另一方面，金屬鈷納米顆粒催化摻氮碳納米管在多面體表面生長(zhǎng)，構(gòu)筑互聯(lián)通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。金屬鈷納米顆粒和摻雜氮原子均有助于吸附極性中間產(chǎn)物，促進(jìn)表面的氧化還原反應(yīng)。將Co-NCNT/NP作為硫骨架材料，含硫80%的硫正極首次放電比容量達(dá)到1240 mAh·g－1，在長(zhǎng)達(dá)1500周循環(huán)后仍保有60%的容量。即使將硫的單位面密度增加至3.2 mg·cm－2，基于Co-NCNT/NP仍具有高容量下循環(huán)的穩(wěn)定性。該課題組為解決硫正極問(wèn)題提供了一種簡(jiǎn)單有效的新思路。