彭翃杰 張 強

(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)用于長壽命鋰硫電池

彭翃杰 張 強

(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

hlight]

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

過去的二十多年中，鋰離子電池由于較高的能量密度逐漸占有能源存儲市場，廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品中。近年來電動汽車和可再生能源等高端應(yīng)用的發(fā)展對二次電池的性能提出了更高的要求。開發(fā)更高能量密度的二次電池體系勢在必行。以單質(zhì)硫為正極，能提供高達1675 mAh·g－1的理論容量，與金屬鋰負極構(gòu)建鋰硫電池，理論能量密度可達2600 Wh·g－1，具有很好的應(yīng)用前景1。另外，單質(zhì)硫儲量豐富、價格低廉、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)充放電過程中正極材料體積變化大。這些問題使得實際的鋰硫電池容量低、衰減快、循環(huán)壽命短。同時考慮到實用化場合，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傳統(tǒng)鋰離子電池的競爭力。

設(shè)計理想的硫正極骨架材料是解決上述問題的重要途徑。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。因此對納米碳基材料進行必要的極性修飾將強化骨架材料對多硫化物的吸附特性，從而提升電池性能?，F(xiàn)有的骨架材料往往需要復(fù)雜的制備工藝，同時其結(jié)構(gòu)難以同時滿足上述所有需求，進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)可以通過一步法在還原氣氛下熱解鋅/鈷雙金屬類沸石咪唑骨架材料得到，合成方法非常簡便。一方面，有機質(zhì)熱解過程中金屬鋅的揮發(fā)有利于微孔/介孔多級結(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，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到1240 mAh·g－1，在長達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題提供了一種簡單有效的新思路。