快速充放電且耐高溫鋰硫電池三維交聯結構正極材料研究

2020-11-25 OFweek維科網

【成果簡介】

南京大學化學化工學院金鐘、劉傑教授共同帶領的「先進能源材料與器件」研究團隊在高倍率、高耐受性能的鋰硫電池方面取得研究進展，相關成果以「Self-Templated Formation of Interlaced Carbon Nanotubes Threaded Hollow Co3S4 Nanoboxes for High-Rate and Heat-Resistant Lithium-Sulfur Batteries」為題發表在Journal of the American Chemical Society, 2017, 139, 12710-12715。陳濤博士為論文第一作者，本科四年級學生張澤文為論文第二作者。

【圖文導讀】

圖1. S@CNTs/Co3S4-NBs正極和S@Co3S4-NBs 正極的結構優勢對比示意圖

所獲得的硫填充CNT / Co3S4-NBs（S@CNTs/Co3S4-NBs）陰極可以提供高放電容量，顯著的速率性能和令人印象深刻的循環穩定性，遠優於簡單含硫填充的Co3S4的對照樣品

圖2 紫外吸收曲線及循環性能

（a）循環後的電極片浸泡在電解液中得到的紫外吸收曲線

（b）S@CNTs/Co3S4-NBs正極在50°C下，0.2 C時的循環性能

（c,d）在50°C下，S@CNTs/Co3S4-NBs正極的倍率性能

【研究內容】

現階段，鋰硫電池普遍採用的傳統醚類電解液的沸點和閃點較低，無法滿足電池在高溫下的工作需求；同時，高溫工作環境也會加速多硫化鋰在電解液中的溶解，從而引發嚴重的「穿梭效應」。針對這些關鍵問題，該團隊設計了一種自模板合成法，將ZIF-67在碳納米管（CNTs）的交聯網絡上成核形成納米立方體，然後將CNTs/ZIF-67前驅體轉化為碳納米管/Co3S4空心納米盒子（CNTs/Co3S4-NBs）。該結構設計具有以下幾個優勢：

提供了一個微區化和整體化的三維導電網絡（特別是Co3S4空心納米盒子內部的活性硫），顯著提高活性硫的利用率和倍率性能。 可加速電子傳輸並且縮短了鋰離子擴散路徑，從而促進電化學氧化還原過程的動力學行為。 提高了電極/電解液接觸面積（尤其是內部縱深位置的活性硫）並且提供了更多的開放通道以便電解液滲透。

研究結果表明，這種S@CNTs/Co3S4-NBs正極材料具有非常出色的高倍率性能。此外，該電極在醚類電解液中和50°C下，以0.2 C充放電循環300次後，其放電比容量仍可維持在718 mAh/g，這為研發和設計耐高溫的鋰硫電池正極材料提供了嶄新的思路。

近兩年以來，該課題組在鋰硫電池正極材料方面已經開展了深入的研究（Nano letters, 2016, 17, 437; Nano Energy, 2017, 38, 239; ACS Nano, 2017, 11, 7, 7274）。這些研究工作得到了青年****、973計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的資助。

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