构筑“Boxes in Fibers”三维导电网络作锂硫电池正极材料学术资讯

来源：材料科学前沿

原标题：湖北大学王贤保教授课题组：构筑“Boxes in Fibers”三维导电网络作锂硫电池正极材料

锂硫电池（Li-S）是一种以金属锂作为负极，单质硫或硫基复合材料作为正极的二次电池，其能量密度高达2600 Wh kg-1，近年来获得了广泛的关注。目前锂硫电池主要存在着硫导电性差、穿梭效应、充放电过程中形貌易坍塌等问题。同时锂硫电池正极材料还面临着硫负载量低（< 2.0 mg cm-2）和充放电倍率低（< 2 C）等问题，导致电池能量密度低，难以应用于商业化。

图1.CNB-TiC@CNF/S的制备过程。针对上述问题，湖北大学王贤保教授课题组提出“Boxes in Fibers”策略，通过静电纺丝技术，将碳纳米盒与碳化钛纳米颗粒串入碳纤维纺丝之中，构筑三维分层次导电网络CNB-TiC@CNF/S复合正极材料用于锂硫电池。该材料具有以下优点：1.碳纳米纤维的孔隙与碳纳米盒的空腔为硫的负载提供大量空间；2.氮掺杂的碳纳米纤维与碳化钛纳米颗粒促进电子转移和离子扩散，并提高材料整体的导电性；3.化学位点与物理位点协同实现高效的表面反应，并有效缓解穿梭效应；4.材料的互连性与多孔性保证整体结构在充放电循环过程中的稳定性。

图2. CNB-TiC@CNF/S的(a, b)FESEM图；(c) TGA曲线；(d, e) HAADF-STEM图、EDX线性元素分布与映射图；(f) BET比表面积和孔径分布曲线。

图3. CNB-TiC@CNF/S的电化学性能 (a, b) 0.5 C倍率下的充放电曲线与循环曲线对比；(c) 0.2 C倍率不同硫负载量下的循环曲线；(d) 倍率性能；(e) 3 C和10 C倍率下的循环曲线。

图4. 三维导电网络结构及机理图。研究团队构筑的“boxes in fibers”三维导电网络结构CNB-TiC@CNF/S做锂硫电池的正极材料。宏观上，碳纳米纤维串着碳纳米盒与碳化钛纳米颗粒构成项链状三维导电网络，其互连与多孔结构有效缓解了体积膨胀问题。微观上，孔隙与空腔提供了巨大的载硫空间，同时化学/物理位点阻止多硫化物的溶解，减轻了穿梭效应。该电极材料在高倍率及高载硫量下均具有优异的放电容量与循环稳定性。它在0.1 C倍率下初始放电容量为1611 mAh g-1，接近理论比容量的1675 mAh g-1。在0.5 C倍率下循环100圈，容量保持在1363 mAh g-1。10 C倍率下电池初始容量为1087 mAh g-1，循环400圈容量衰减率每圈仅为0.15%。当硫负载量达到9.2 mg cm-2时，50圈循环后容量为7.90mAh cm-2。

该项工作为锂硫电池的实际应用提供了可靠的思路和方法。该研究成果以“A“boxes in fibers” strategy to construct a necklace-like conductive network forthe high-rate and high-loading lithium-sulfur batteries”发表于《Journalof Materials Chemistry A》，课题组的本科生周诗远与刘佳鹏同学为共同第一作者，梅涛副教授与王贤保教授为共同通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1039/D0TA04089D

来源：材料科学最前沿材料科学前沿

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1NDc0NTY4OA==&mid=2247485722&idx=4&sn=f2bbf4365bac90f55033f6356ed29ee7&chksm=e9c1c42ddeb64d3b00f708d1aeee0a219c769ddd598a43594ff42d8ede5ea73ddf5373105cf5#rd

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn