Advanced Energy Materials: 多空腔联通纳米炭球高效封装活性硫

锂硫电池作为新一代储能体系，具有能量密度高、成本低、环境友好等优点，然而硫的导电性差，充放电过程中体积变化大并且产生的多硫化锂易溶于电解液，会显著降低锂硫电池的容量与循环稳定性。因此，如何制备具有高效载硫、固硫、用硫特性的炭硫复合物电极至关重要。空心炭球内部空腔体积大、外部壳壁孔隙丰富的独特结构特征，是装载硫活性物质的理想载体。炭球空腔可以高效装载硫，实现高硫含量，壳壁可以提高硫的导电性并且阻挡多硫化物的溶出。但是单空腔中硫颗粒尺寸相对较大，中心部位的硫由于远离炭壁得失电子困难导致不能利用，同时大颗粒的硫在充放电过程中体积膨胀大造成空心炭球破碎，这些会使得空心炭球电池容量下降和循环性能劣化。

图1: a) 多空腔纳米炭球的形成示意图, b) 硫/多空腔炭球电极材料循环性能

为了解决上述问题，大连理工大学精细化工国家重点实验室、化工学院陆安慧教授课题组建立了一种表面能驱动的自组装方法制备多空腔纳米炭球，由次级结构单元自发的聚集和组装形成低表面能的多空腔聚集体，具体合成过程如图1a 所示。这种多空腔纳米炭球将内部大空腔分割成许多由多孔炭壁相连的小孔腔，具有大容积、空腔联通、空腔个数和空腔尺寸可调等优点，并且空腔的尺寸完全可以借助“纳米空间限域热解”来进一步增大。该多空腔炭球用作硫载体时，硫含量高达71 wt.%。小空腔装载硫有利于硫颗粒尺寸减小，提高硫的利用率和减缓体积膨胀；内部炭网络导电提高了硫的导电性，进一步提高了硫的利用率；同时空腔内炭网络的多孔结构有利于吸附充放电过程中产生的多硫化锂，提高多空腔炭球/硫复合物的循环稳定性。电池性能测试结果（图1b）显示制备的硫/多空腔炭球电极材料在0.5 C下循环200次后容量高达943 mA h g-1，2 C下容量仍可达到869 mA h g-1，循环性能明显优于单空腔炭球的性能（0.5 C下循环100次后容量只有636 mA h g-1）。表明该类多空腔炭球具有高效的载硫、固硫和用硫特性。

该研究不仅开发了一类理想的多空腔纳米炭球载体，用于大量封装客体物种；而且提供了一种表能驱动的自组装方法合成多空腔聚集体。

相关研究成果最近发表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201701518）上。