Advanced Energy Materials:三维石墨烯/碳纳米管复合载体用于高性能锂-硫电池

相比于商业化锂离子电池，锂-硫电池具有超高的理论能量密度(2600 Wh kg–1)，是未来高比能二次电池的研发重点。但是，锂-硫电池的发展需要解决硫单质的绝缘性、电极反应的体积膨胀和多硫化锂溶解与穿梭反应等问题的困扰。因此，有针对性开发能提升导电性、减缓体积膨胀以及有效抑制多硫化物溶解与穿梭反应的新型硫正极，是推进其实用化进程的关键之一。硫与碳材料进行复合能够有效改善硫正极性能，其性能提升效果往往取决于碳载体的形态和结构。

南开大学材料科学与工程学院新能源材料化学研究所高学平课题组长期从事新能源材料与二次电池研究，在锂硫电池方面发表了系列研究成果。其中，Energy Environ. Sci., 3 (2010) 1531入选锂硫电池领域高引用频次文章前十位（第6，引用频次536），Adv. Energy Mater., 2 (2012) 1238入选ESI近十年高引用文章（引用频次230）。近期，高学平课题组设计出一种新型的石墨烯/碳纳米管(GN-CNT)复合载体，并将其应用于高性能锂-硫电池。该工作以氧化石墨烯为生长载体，尿素为碳源，钴盐为催化剂原料，采用“一步煅烧法”实现了碳纳米管在石墨烯片层上的可控生长，即利用一维特征的碳纳米管和二维结构的石墨烯构筑起具有三维结构的GN-CNT复合载体。该团队详细阐述了这种GN-CNT复合载体在改善锂-硫电池性能方面的结构优势。首先，直接生长得到的CNTs与GN之间具有较强的共价键作用，可形成稳定的三维开放式结构，有利于确保电极内电子的快速传输和电解液的充分浸润，并可减缓电极在循环过程中的体积膨胀，有助于提高硫活性物质利用率和改善硫电极的循环稳定性。其次，GN-CNT复合载体含有丰富的N/O掺杂原子，有利于通过化学作用固定多硫化物，进而改善硫电极的循环稳定性。另外，在制备碳纳米管的过程中，二价钴被还原成金属钴，起到了CNTs生长的催化剂。复合载体中这种残余的金属钴纳米颗粒可强化对多硫化物的化学固定作用，同时又可在Li2S的氧化反应中起到一定的催化功能，进而改善电极反应的可逆性，增加硫电极的库伦效率。以上因素协同作用，使得制备的S/GN-CNT复合材料表现出优良的电化学性能。在0.1 C倍率下，以复合材料作为活性物质计算，S/GN-CNT复合材料的初始放电容量达1049.6 mAh g-1-composite，循环200周后，硫基复合材料的容量保持在639.1 mAh g-1-composite；在0.5和1 C倍率下循环500次，该硫基复合材料的容量衰减率低于每周0.08%。

该研究结果提供了一种复合碳材料三维结构设计与优化的新思路，同时也提供了一种高容量和高稳定性硫碳复合材料的构筑策略。研究结果发表于Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.201602543) 上，第一作者为南开大学博士生张泽，通讯作者为南开大学的李国然和高学平。