麦耀华Small：氮掺杂中空球形碳包覆硫材料用于制备高循环稳定性的锂硫电池正极

youyoucao 4年前 (2020-08-31) 2798浏览

引言

锂硫电池硫电极因为其较高的理论质量比能量密度（2600 Wh/kg）而受到广泛的研究。然而，它们的实际应用很大程度上受到几个主要问题的阻碍，其中多硫化物的“穿梭效应”是阻碍锂硫电池工程化应用的最重要的限制因素。由于电化学反应过程中缓慢的氧化还原动力学和循环过程中中间产物多硫化物在电解液的溶解和扩散，导致硫电极在大电流充放电过程中活性硫的利用率较低，电极循环稳定性很差。

研究人员在防止高阶、可溶性多硫化锂在电解液中溶解和促进低阶、非可溶性多硫化锂在电极内部沉积方面做了大量工作。最近的研究表明将硫和碳纳米管、石墨烯复合制备的电极可以有效缓解多硫化物的溶解和扩散。尽管有这些初步的优势，但硫电极在大电流下的长时间循环性能依然不能令人满意；而中空二氧化钛球、氧化钙、五氧化二钒，片状二硫化钼、聚苯胺纳米管等材料也报道可以形成封闭的硫存储空间，但其低导电性限制了硫电极的电化学活性。此外，最近锂硫电池中引入了电催化技术，可以在充放电反应过程中加速多硫化锂的转化、增强电化学反应动力学、缓解“穿梭效应”等方面发挥重要作用。然而，同时实现密封结构、高导电性和高效电催化转化多硫化锂活性的材料仍是锂电池发展的巨大挑战。

成果简介

近日，暨南大学麦耀华教授课题组在Small期刊上发表题为“Encapsulation of Sulfur into N-Doped Porous Carbon Cages by a Facile, Template-free Method for Stable Lithium-Sulfur Cathode”的研究论文。该论文设计出了高性能的锂硫电池中活性硫材料的宿主材料，研究制备了氮掺杂空心球碳(NHSC)作为的硫宿主材料，该前驱体材料在800 ℃下热解制备，NHSC具有较高的导电性和较大的比表面积。传统的硬模板制备中空球的方法不仅在制备过程中容易破坏碳纳米结构的结构完整性，而且在合成后去除模板时易引入杂质。而本文采用的聚多巴胺在稳定的油/水混合界面聚合的方式，制备了中空球结构，这种方法不需要后续的硬模板去除工序。使用该中空球形封装球形硫颗粒、制备了S@NHSC纳米复合材料。由于碳纳米球内部具有较大的介孔结构和相互接触的多维结构，制备的S@NHSC纳米复合材料不仅具有良好的导电性，而且获得了较高的硫含量。重要的是，由于NHSC的物理封装，有效地抑制了多硫化物的穿梭效应。此外，NHSC良好的催化活性显著促进了多硫化锂的快速转化。得益于这些独特的物理特性和新颖的化学功能，S@NHSC电极制备的锂硫电池表现出了优异的电化学性能。曾帅波博士为本文的第一作者，通讯作者是钟海副研究员和麦耀华教授。

图文导读

图1：合成纳米碳笼包覆硫颗粒示意图。

图2：(a1, a2)聚合物多巴胺球水洗前的SEM; (b1, b2) 聚合物多巴胺球水洗后的SEM;(c1, c2)氮掺杂中空球形碳材料SEM；(d1,d2)氮掺杂中空球形碳包覆硫材料SEM。

图3：(a, b, c)氮掺杂中空球形碳TEM; (d, e, f) 氮掺杂中空球形碳包覆硫TEM;（g-i）氮掺杂中空球形碳包覆硫材料的各元素分布图。

图4：（a）不同材料电导率柱状图，内嵌电子转移路径图; (b)氮掺杂中空球形碳吸附多硫化锂展示图；（c）氮掺杂中空球形碳和氮掺杂中空球形碳包覆硫材料的吸脱附曲线图，内嵌两种材料的孔径分布图；（d）硫磺粉，氮掺杂中空球形碳和氮掺杂中空球形碳包覆硫材料的热重曲线图；（e, f）氮掺杂中空球形碳包覆硫材料中 C 1s和 N 1s轨道的高分辨X射线光电子能谱图。

图5： (a) 装配有氮掺杂中空球形碳包覆硫电极的扣式电池和软包电池电量”JUN”形状的发光二极管；（b）装配有氮掺杂中空球形碳包覆硫电极的电池放电示意图；（c, d）装配有氮掺杂中空球形碳包覆硫电极循环伏安图和交流阻抗图谱；（e，f）装配有氮掺杂中空球形碳包覆硫电极和对照电极的循环性能曲线；(g, h) 装配有氮掺杂中空球形碳包覆硫电极和对照电极的倍率性能曲线。

总结与展望

作者报道了在“油/水”多相体系下，多巴胺在油/水混合界面处自组装、聚合获得聚合物球，再碳化、渗硫处理后获得了氮掺杂中空球形碳包覆硫材料。该材料在制备的硫电极有很好的电化学稳定性：在活性硫的面负载量为 2.8 mAh g-1，其首次的可逆比容量高达1280.7 mAh g-1，经过500次大电流，长周期的稳定循环后的容量衰减率平均仅为0.0373%，这远远高于作为对照组的硫/碳和未包覆的硫/多孔碳电极。

文章链接：Encapsulation of Sulfur into N-Doped Porous Carbon Cages by a Facile, Template-free Method for Stable Lithium-Sulfur Cathode. (Small, DOI: DOI: 10.1002/smll.202001027)

本文由作者团队供稿。

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