一种新型高性能锂硫电池正极：碳纳米管/氮掺杂多孔碳复合材料

锂硫电池由于丰富的自然资源，高的理论比容量（1675 mAh/g）以及环境友好等优势成为最有前景的下一代高能量电池的候选者之一。然而，硫和固态还原产物（Li2S2和Li2S）的绝缘性质，多硫化物的穿梭效应，以及充放电过程中的体积膨胀等问题阻碍其商业化应用。通常将硫限域在具有不同形态，可控孔结构和表面化学性质多样的纳米碳基质中，是解决上述问题的有效途径。

其中，杂原子掺杂的层状多孔碳被认为是最有吸引力的碳基质。其高的比表面积和孔体积可缓解充放电过程中硫的体积变化，但是在长期循环下容量衰减快，这是由多硫化物的穿梭效应和低电导率造成的。目前，咪唑类离子聚合物的热解是制备杂原子掺杂碳材料的有效方法。

多壁碳纳米管（CNT）由于其优异的导电性，机械性能和独特的结构被广泛应用在锂硫电池电池的正极中，但是其比表面积小，不能负载大量的硫。相比之下，多孔碳具有高的表面积和较大的孔体积。因此，碳纳米管和多孔碳的结合可以提高硫负载量和缓解多硫化物的穿梭效应。

图1 CNT/NPC-300-S复合材料制备过程机理图。

有鉴于此，中国科学院福建物质结构研究所王瑞虎教授和福建师范大学李小菊教授等人以主链型咪唑类离子聚合物（ImIP）和碳纳米管为原材料，合成出N掺杂多孔碳（NPC）和CNT紧密连接形成3D导电网络状的CNT/NPC-300复合材料，用于锂硫电池正极，表现出优异的电化学性能和长期循环稳定性。相对于其他碳纳米管复合材料，CNT/NPC-300复合材料表现出如下优势：（1）ImIPs的结构多样性提供了在分子水平上控制碳材料的结构和性质的可能性。NPC的组成和孔隙率可以通过调整阳离子或阴离子框架来改变；（2）CNT与NPC之间的无缝连接形成互连的3D导电网络，可以加速充放电过程中离子和电子的转移；（3）高的比表面积和大的孔体积可以提高硫负载量和缓解体积膨胀问题；（4）3D多孔结构可以限域多硫化物，N原子的掺杂可以提高材料对多硫化物的吸附力，通过物理和化学途径解决多硫化物的溶解和穿梭效应问题。

图2 （a）CNT/NPC-300-57S，CNTs-56S和 NPC-57S电极的CV图；（b）CNT/NPC-300-57S，CNTs-56S和 NPC-57S电极的倍率性能图；（c-d）CNT/NPC-300-57S电极在不同电流密度和在0.5C的充放电曲线图；（e）CNT/NPC-300-57S，CNTs-56S和 NPC-57S电极的阻抗图；（f）CNT/NPC-300-57S，CNTs-56S和 NPC-57S电极的紫外可见光谱图；（f-h）CNT/NPC-300-57S，CNTs-56S和 NPC-57S电极在0.5C和5C的循环性能图。

CNT/NPC-300-57S（硫含量为57%）作为锂硫电池正极时，当电流密度分别为0.5C，1.0C和3.0C下，比容量分别为1060，912，805 mAh/g，体现了良好的倍率性能。在电流密度0.5C和5C下，循环300次，比容量仍保持在817，472 mAh/g，库伦效率高达98.1%，97.4%。另外，通过紫外测试，证明了CNT/NPC-300复合材料对多硫化物有强的吸附力。为了提高锂硫电池的能量密度，作者还测试了CNT/NPC-300-71S电极的电化学性能。在电流密度0.5C下，循环300次，比容量为678 mAh/g。作者在文中还进一步解释了CNT/NPC-300-57S电极具有如此优异的电化学性能的原因：（1）NPC和CNT在融合的过程提供了3D电子通道，而且N掺杂碳表面可作为路易斯碱基体，增强对多硫化物的吸附能力和氧化能力；（2）硫和CNT / NPC-300界面的电荷转移电阻降低，表面反应和固体产物的沉淀可以在相对丰富的表面位点顺利进行；（3）物理限制和化学吸附间的协同作用可以有效的抑制多硫化物的穿梭效应；（4）独特的3D网络结构有利于电解质渗透和离子扩散。总之，该研究为开发具有高导电性和杂原子掺杂的碳基复合材料提供了新的途径。

参考文献：

Hui Pan,Zhibin Cheng, Zhubing Xiao, Xiaoju Li, and Ruihu Wang. The Fusion ofImidazolium-Based Ionic Polymer and Carbon Nanotubes: One Type of New Heteroatom-Doped Carbon Precursors for High-Performance Lithium–SulfurBatteries, Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703936.

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