分層自組裝:將聚電解質多層膜和石墨烯片包覆在空心碳球/硫複合材料的表面

2021-02-13 低維材料

有大量離子基團的聚電解質極有可能有效地阻止多硫化物的擴散，雖然聚電解質膜的穩定性很可能被電化學循環過程中的極大的體積膨脹以及電解液中過高的鹽濃度影響，但是仍然有必要引入其它的帶電荷材料，如功能化的石墨烯等，因為靈活的功能化的碳材料能使聚電解質膜更加穩定，同時能提升材料的導電性。

Wu等人通過一種靈活的分層自組裝方法將聚電解質多層膜（PEMs）和石墨烯片依次包覆在空心碳球/硫的複合材料表面。首先，將葡萄糖加入到氨基改性的二氧化矽的水溶液中，超聲攪拌1小時後將溶液轉移到水熱釜中，180攝氏度放置9小時。將產物洗滌，80攝氏度下乾燥，再將產物在氮氣氣氛中900攝氏度熱處理2小時。再用氟化氫銨處理即得到空心碳球，將硫和空心碳球熱熔後即得到空心碳球和硫的複合材料（HCSs/S）。在分層包覆前，將HCSs/S複合物用氫氧化鈉處理，HCSs/S的表面就帶了負電荷。將石墨烯粉末也用濃氫氧化鈉處理就得到羥基化的石墨烯。將聚乙烯亞胺（PEI）和聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）分別溶解在去離子水中，將pH分別調為6和7，將HCSs/S依次浸在PEI（5次）和PSS（4次）的溶液中，每次浸潤持續12分鐘，並且用去離子水洗滌。再將聚電解質多層膜包覆的HCSs/S分散在氯化鈉溶液中，將石墨烯溶液加入上述溶液即得到終產物。

因為材料帶的電荷相反，所以有很強的靜電吸引，包覆層很穩定，包覆過程也很有效。包覆膜不僅在空間上阻礙了多硫化物的擴散，而且通過庫倫斥力表現為離子交換膜，抑制多硫陰離子的遷移。而且，石墨烯片使聚電解質多層膜更加穩定，還將電子的遷移模式從「點對點」轉換為了「面對點」。


圖1 聚電解質多層膜和功能化的石墨烯片包覆空心碳球/硫複合材料示意圖

 

在聚電解質多層膜和石墨烯片的協同作用下，製備出的複合材料電極表現出穩定的循環性能（1A/g，200次循環）和較為穩定的庫倫效率（99%）。這種快速並且可控的分層製備方法以及多功能的結構能對其它鋰硫電池正極材料的設計有所啟發。

 

文章題為Layer-by-Layer Assembled Architecture of Polyelectrolyte Multilayers and Graphene Sheets on Hollow Carbon Spheres/Sulfur Composite for High-Performance Lithium−Sulfur Batteries。（Nano Letters 2016）

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