我校薩本棟微米納米科學技術研究院碩士研究生以第一作者在Nature Communications上發表高水平研究成果

2021-02-27 廈門大學研究生教育

近日，我校薩本棟微米納米科學技術研究院方曉亮副教授課題組和化學化工學院鄭南峰教授研究團隊開發了一種用於構建高能量密度鋰硫（Li-S）電池的新型自支撐正極。該研究成果以「Self-supporting sulfur cathodes enabled by two-dimensional carbon yolk-shell nanosheets for high-energy-density lithium-sulfur batteries」為題發表於2017年9月7日的《自然•通訊》Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-017-00575-8)上。

 

具有高理論能量密度、低成本和環境友好等優點的鋰硫（Li-S）電池被視為極具開發潛力的下一代二次電池系統。近年來，利用客體材料對硫進行負載以提正極的硫利用率和循環壽命推動了Li-S電池研究的迅速發展。目前所報導的Li-S電池的能量密度還遠不能滿足實際應用需求。研究者們致力於設計高硫負載正極以提升Li-S電池的能量密度。然而，高硫負載正極的開發面臨著兩大瓶頸問題：（1）倍率和循環穩定性差，（2）高面積容量和低體積容量難以兼顧。

受老式相冊的緊密堆積結構啟發，該研究將石墨烯包裹於中空多孔碳納米片的內部腔體中形成一種具有「蛋黃-殼」結構的新型二維碳納米材料（G@HMCN）。由於具有高比表面積和孔容、豐富的N原子摻雜和良好的分散性，G@HMCN能夠製備載硫量高達80.5 wt%的碳硫複合物（G@HMCN/S）。通過簡單的真空抽濾法，G@HMCN/S和商品化的石墨烯可以組裝形成具有緊密堆積的自支撐正極（G@HMCN/S-G）。在載硫量高達73 wt%和面積載硫量為5~10 mg cm-2的條件下，G@HMCN/S-G擁有高倍率性能（5C倍率下容量524 mAh g-1）和優異的循環穩定性（1 C倍率下500次循環後容量719 mAh g-1），同時可以兼顧高面積容量（11.4 mAh cm-2）與高體積容量（1329 mAh cm-3）。該研究工作為高能量密度Li-S電池的發展提供了新機遇。所開發的新型二維多孔碳納米材料還有望應用於其它研究領域，如超級電容器、異相催化和電催化、柔性儲能器件。

該論文第一作者為薩本棟微米納米科學技術研究院2014級碩士研究生裴非，方曉亮副教授與鄭南峰教授為共同通訊作者，薩本棟微米納米科學技術研究院為第一通訊單位。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委和廈門大學校長基金的支持。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-017-00575-8

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