四川大学&伍伦贡大学Adv. Funct. Mater.：3D多功能氧化镁修饰的碳泡沫@碳纳米管用于锂硫电池正极

【引言】

锂硫电池是一种以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的锂电池，其材料理论比容量（1675 mAh /g）和理论能量密度（2600 Wh /kg）远高于商业上广泛运用的钴酸锂电池。然而它存在的问题也很严重：如硫的导电性极差，不利于电池高倍率性能；硫在充放电过程中体积变化大，易对电池造成损伤等。因此出现硫的利用率低，库伦效率低的困难。解决这些问题对于电池的应用来说至关重要。

【成果介绍】

近日，刘恒教授及伍伦贡大学窦世学教授（共同通讯）等在Advanced Functional Materials上发表了题为“Carbon Foam@CNTs Hybrid as Self-Supported Cathode for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries”的文章。文章报道了一种简便的制备新型3D柔性多功能氮掺杂碳纳米管电极的方法。同时碳纳米管被氧化镁纳米片修饰。研究者通过采用简便的液相浸渍/吸附方法与商业上廉价的三聚氰胺泡沫（MF）的热解相结合的方式来制备CF@CNTs/MgO复合物。该方法可以实现对硫负载量的高效的控制。对负载量从3.8mg/cm²至14.4mg/cm²的不同的复合物进行了SEM，TEM，HRTEM，XRD，XPS，电化学测试等多种表征（见图文介绍），最终得到合适的高硫负载率的复合物。文章对此进行了相应的分析。三维泡沫碳骨架的存在具有超凡的弹性和机械强度，使得制备的复合物不再需要粘合剂，同时多孔的框架提供了足够的内部空间，可以减缓锂硫电池循环过程中硫体积变化大的问题。在泡沫碳骨架上的紧密的CNT涂层可以促进电子或离子运输和反应速度，也提供了高效的活性位点以期提高硫的负载率。超薄MgO纳米片的修饰促进了反应过程中对锂多硫化物的化学吸附作用，泡沫碳的原位杂原子氮掺杂也有利于对锂多硫化合物的捕捉。该研究提供了一种相对简单的制备CF@CNTs/MgO复合物的思路，为制备应用于可穿戴设备的柔性电极提供了新的方向。

【图文介绍】

图一：制备CF@CNTs/MgO-S复合物的简图及表征

（a）制备CF@CNTs/MgO-S复合物的简图；

（b）MF表征图像（上：数字图像；下：SEM图像）；

（c）CF@CNTs/MgO表征图像（上：数字图像；下：SEM图像）；

（e）CF@CNTs/MgO-S电极表征图像（上：数字图像；下：SEM图像）。

图二：CF@CNTs/MgO-S复合物的SEM和TEM表征

（a-c）不同放大倍数的CF@CNTs/MgO复合物的SEM图像；

（d-e）CF@CNTs/MgO复合物的TEM和HRTEM图像；

（g-j）CF@CNTs/MgO-S复合物在硫负载量分别为3.8，6.6，11.2，14.4mg/cm²时的SEM图像；

（k-l）硫负载量为3.8mg/cm²时对应的CF@CNTs/MgO-S复合物中碳，氮，氧，硫和镁元素映射；

图三：XRD，Raman 和XPS表征

（a）硫，CF@CNTs，CF@CNTs/MgO，CF@CNTs-S和CF@CNTs/MgO-S的XRD图像；

（b）CF@CNTs和CF@CNTs/MgO的Raman光谱图像；

（c）CF@CNTs/MgO的拓展频谱图像；

（d-f）CF@CNTs/MgO的N 1s，C 1s和Mg 1s的高倍率XPS图像。

图四：CF@CNTs/MgO-S电极材料在硫负载量分别为3.8,6.6,11.2,14.4mg/cm²时的电化学表征

（a）第1和第60圈充放电曲线；

（b）倍率在1C时的循环性能及对应的库伦效率；

（c）四种电极的面积比容量曲线；

（d）循环测试前电化学阻抗测试曲线；

（e）循环测试后电化学阻抗测试曲线；

（f）CF@CNTs/MgO-S电极（硫负载量为4mg/cm²）在倍率0.05C时的循环性能及对应的库伦效率。

【小结】

这项工作中，研究人员探索了一种相对简单的合成3D CF@CNTs/MgO的方法。将该复合物作为锂硫电池的电极，可以提高硫的负载率，并能减轻穿梭效应。在泡沫碳骨架上引入了稠密的CNTs涂层，复合物表现出了很高的传导性和弹性。超薄氧化镁纳米片的修饰和氮掺杂功能基团的利用促进了锂多硫化物的化学吸附作用。因而该电极在硫负载量2.4mg/cm²时表现出了911mAh/g的本征放电容量，倍率为1C时经过350次循环仍保留68%的性能，（倍率为2C时，经过800次循环容量损耗为0.06%），当硫负载量为14.4mg/cm²，硫元素含量为78wt%，库伦效率为0.05C，经过50次循环后电极仍保持较高的质量比容量612mAh/g和面积比容量8.8mAh/cm²，是当今商业锂离子电池的将近两倍。该研究为制备应用于可穿戴设备的柔性电极提供了新的方向。

文献链接：Carbon Foam@CNTs Hybrid as Self-Supported Cathode for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries（Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201702573）

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