锂硫电池具有高理论容量（1672mAh/g）和能量密度（2600 Wh/kg），同时单质硫作为正极材料还具有资源丰富、廉价和环境友好的优点，被认为是目前最有前景的下一代二次电池体系之一。但是，硫和其锂化产物的电导率差，多硫化物的高可溶性和穿梭效应，以及充放电过程体积变化大（约76%）等缺点阻碍了锂硫电池的商业化应用。
近期，美国范德堡大学Cary L. Pint等人通过蒸汽渗透将硫单质嵌入低密度碳纳米管（CNT）中，合成出高面积硫负载量和面积比容量的sulfur-3D CNT泡沫，作为锂硫电池正极材料，表现出良好的电化学性能。此成果发表在国际期刊ACS Nano上。
图1 （a）sulfur-3D CNT泡沫的SEM图；（b）C元素和（c）S元素的EDS图；（d）sulfur-3D CNT泡沫的TEM图；（e）C元素和S元素的EDS图；（f）sulfur-3D CNT泡沫的合成机理图；（j）sulfur-3D CNT泡沫的热重图。
图2 （a）在0.1C下，sulfur-3D CNT泡沫电极的充放电曲线图；（b）与之前研究工作数据的对比图；（c）在0.1C下，sulfur-3D CNT泡沫电极的循环性能图；（d）与传统复合电极机理比较图。
在电流密度0.1C下，sulfur-3D CNT泡沫第二圈放电比容量高达1039 mAh/g，相当于19.8mAh/cm^2，循环100圈后，面积容量为9mAh/cm^2，高于商业化的锂离子电池最佳值的两倍，体现出良好的电化学性能。在文中，作者通过溶液工艺制备出低密度CNT泡沫，利用毛细管热力学将硫渗透进CNT泡沫（硫负载量为79%），并将泡沫压实，得到高面积负载和容量的电极（19.3mAh/g，19.1mg/cm^2）。
在之前研究中，使用熔融渗透法会在导电界面形成厚硫沉积层，无法得到高比容量。而使用蒸汽渗透能有效的解决这个问题。首先，在硫渗入之前，形成低密度互连的CNT，为电极提供导电骨架；其次，利用毛细管热力学将硫渗入CNT泡沫确保了硫涂覆在CNT的内部/外部，利用CNT的机械性质防止形成厚实绝缘沉积。另外，作者通过理论计算得出，提高电池的能量密度最好是通过提高硫的利用率这一途径。最后，此文章为锂硫电池的研究提供了新思路。
材料制备过程：
3D CNT 泡沫的制备：首先，多壁碳纳米管（MWCNTs）加入到乙醇中形成大约2.2mol /L的溶液；接着，通过探针超声仪超声处理3-5分钟形成絮状体，再加入超纯Milli-Q水使絮状体均匀分布在溶液中。然后将溶液在-80℃冷冻1小时，立即进入真空室，进行真空干燥以确保所有的冰直接升华。最后，干燥一夜，得到多孔的CNT泡沫。
sulfur-3D CNT泡沫的制备：硫粉和3D CNT泡沫分别放置在密封的不锈钢反应室内，3D碳纳米管泡沫悬浮在硫储层上方约1毫米。加热至175℃，反应3小时。冷却后，硫渗透的3D CNT泡沫被取出，压制和切割。
参考文献：
Mengya Li, Rachel Carter, Anna Douglas, Landon Oakes, and Cary L.Pint. Sulfur Vapor-Infiltrated 3D Carbon Nanotube Foam for Binder-Free HighAreal Capacity Lithium−Sulfur Battery Composite Cathodes, DOI: 10.1021/acsnano.7b01437.
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