Adv. Mater：使用碳化硼纳米线的双功能阴极基板制备的长寿命锂硫电池

【引言】

锂-硫(Li-S)电池具有极高的理论比容量(1675 mAhg^-1)，且硫无毒，价格低廉，被广泛地认为是未来大规模储能领域应用发展的方向。然而，锂硫电池的商业化面临着许多挑战。例如，硫及其放电产物电导率低使得活性材料利用率低和动力学反应变慢。与此同时，作为氧化还原中间体形成的可溶性多硫化物容易溶解在液体电解质中并且不可逆地从阴极扩散到阳极区域，使得电池循环寿命变差。所以，优质硫正极的开发对于实现高能量密度和长循环寿命的锂硫电池具有重要意义。硫正极设计中最常用的方法之一是使用碳基材料作为捕获多硫化物的物理屏障。然而，非极性碳主体的纯物理限制不足以保证在长时间内抑制多硫化物的扩散，尤其是对高硫负载量的电池而言。通过引入了功能性极性基底作为硫宿主这一策略，通过与多硫化物形成化学键合以吸附多硫化物或者是对多硫化物起催化作用加快多硫化物转换的氧化还原动力学过程，这大大降低了多硫化物在电解液的溶解性。然而，它们中的大多数具有硫负载量低的严重缺点。因此，必须采用新的策略来探索轻质高效材料，提高Li-S电池的电化学性能和能量密度。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram教授团队通过催化辅助工艺在碳纳米纤维上原位生长碳化硼纳米线作为锂硫电池的正极基底。通过实验数据和第一性原理计算表明，B₄C纳米线对多硫化物有着很强的吸附作用。同时，B₄C的催化作用也加速了多硫化物转化的氧化还原动力学过程，有助于提高倍率性能。结果，使用B4C@CNF作为硫的正极基底的电池具有显著的容量保持率（500次循环后，容量保持率为80%）以及优异的倍率性能（在4C下循环稳定）。此外，B₄C@ CNF基板使阴极能够同时获得高硫含量（70wt％）和硫负载量（10.3mg cm^-2），面积容量为9mAh cm^-2。相关研究成果以“Long-Life Lithium–Sulfur Batteries with a BifunctionalCathode Substrate Configured with Boron Carbide Nanowires”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图一B₄C@CNF的形貌和成分表征

（a）通过催化剂辅助合成B₄C@CNF的结构示意图

（b，c）合成后的B₄C@CNF的SEM图像

（d，f）相应的EDX元素映射图像

（g）CNF和B₄C@CNF的XRD图谱

（h，i）等温吸附曲线和孔径分布图

图二B₄C@CNF的结构表征

（a）B₄C@CNF的TEM图像

（b）对应于（a）的EDX元素映射图像

（c，d）SAED和HRTEM

（e）B₄C纳米线的相应模型

图三B₄C@CNF的多硫化物吸附性能

（a）多硫化物吸附测试的数码照片

（b，c）结合能和c）关于不同B₄C@CNF面的S原子的Bader电荷

（c，d）当Li₂S₄吸附在B₄C的不同晶面时，其结构和电子电荷转移

图四 电化学性能表征

（a，e）纽扣电池的电化学性能：CV曲线；倍率性能；能量效率；长循环稳定性和在高硫负载量下的循环稳定性

（f，h）软包电池的电化学性能：f）EIS图；g）每个阴极硫质量为40mg的循环性能，和h）每个阴极硫质量为200mg的B₄C @ CNF的放电容量

【小结】

总之，本文通过可拓展的制造工艺展示了一种独特的独立式B4C @ CNF正极基底。双功能B₄C纳米线为多硫化物提供有效的催化位点，不仅增强了多硫化物吸附能力，而且加速了在循环期间多硫化物转化的氧化还原动力学过程。因此，用B₄C @ CNF正极基底制造的电池的循环稳定性和倍率性能得到显着改善。此外，受益于B₄C @ CNF结构的优越性，在纽扣电池中成功地实现了高硫含量和高硫负载量。此外，用B₄C @ CNF基板制造的Li-S软包电池具有200mg的高硫负载量，并在50次循环后提供125mAh的高放电容量。这项工作为具有高能量密度的实用Li-S电池的开发提供了新的视角。

文献链接：“Long-Life Lithium–Sulfur Batteries with a BifunctionalCathode Substrate Configured with Boron Carbide Nanowires”(Adv.Mater.DOI: 10.1002/adma.201804149)

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