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超高面容量的锂硫电池:来自棉花的三维空心泡沫碳纤维/硫正极

随着移动电子设备、电动汽车及可再生能源的飞速发展,对高容量电池的需求日益迫切,新型高能量密度电化学储能系统的开发受到高度关注。锂硫电池具有很高的理论比容量(1675m Ah g-1)和能量密度(2600Wh kg-1),同时由于硫单质具有储量丰富、价格低廉等诸多优点,被视为最有发展前景的下一代高能量电化学储能系统之一。然而基于多电子反应的锂硫电池,其反应复杂性决定了在充放电过程中,会形成可溶于电解液的多硫中间产物,产生“穿梭效应”,造成不可逆容量损失,同时由于硫的导电性差,导致了硫正极的循环寿命短、容量衰减快等技术瓶颈。

碳材料具有优异的导电性、丰富的孔结构和极高的化学稳定性,因此发展碳/硫复合电极材料被认为是提高锂硫电池性能的有效途径之一。然而,多数研究工作中报导的碳/硫复合电极中,硫的面密度比较低(小于2 mg cm-2),从而导致碳/硫复合电极较低的面容量,甚至低于商用锂离子电池4.0 mAh cm-2的水平,而严重制约了锂硫电池的实用化进程。

超高面容量的锂硫电池:来自棉花的三维空心泡沫碳纤维/硫正极

最近,中国科学院金属研究所先进炭材料研究部以天然棉花为前驱体,经过高温碳化,制备出具有高导电性的三维空心碳纤维泡沫,然后将硫/多壁碳纳米管/炭黑纳米团簇填充在纤维空隙间,获得了硫的面密度最高可达21.2 mg cm-2的三维空心碳纤维泡沫硫正极。该碳/硫复合电极可提供兼具短程和长程的多级导电网络,从而实现较高的硫利用率。同时该工作提出了抑制“穿梭效应”的一个新思路:利用空心碳纤维泡沫对电解液超高的吸液率,使其在吸收电解液的同时,也将溶于电解液的多硫化物限制在正极区域,阻止了多硫化物向负极的扩散,从而有效抑制了“穿梭效应”,保证了良好的循环稳定性。因此,硫面密度为21.2 mg cm-2的复合电极,具有高达23.32 mAh cm-2的初始面容量,在循环150次之后,可实现70%的容量保持率。该工作不仅展示了以天然物质为原料制备高导电性碳材料的方法,并提出了抑制锂硫电池“穿梭效应”的新思路,为开发高性能高面容量的锂硫电池开辟了新的途径。相关论文发表于Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.201506014)。

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