ACS Nano：金属所研发全石墨烯为正极材料的锂硫电池，性能更佳可靠

【引言】

硫具有较高的理论比容量（1675 mAh/g）和较高的能量密度（2567 Wh/kg），且其价格低廉、储量丰富、环境友好，所以锂硫（Li-S）电池成为了新兴二次电池技术中有力的竞争者；尽管Li-S电池具有上述优势，但是其电化学体系仍受到几个固有问题的困扰，其中包括：硫及固体还原产物导电率较低（Li2S2和Li2S）；高度可溶的中间产物（多硫化物）会和锂负极会产生严重的副反应（Li2Sn，3≤N≤8）；从硫到Li2S会产生很大的体积膨胀（〜80％）。这些问题会使得Li-S电池比容量较低，容量衰减迅速，倍率性能较差，库仑效率偏低，为了解决这些问题开发高能量的Li-S电池能量存储系统，研究者们采取了一系列的措施解决上述问题，如：开发硫复合正极材料，寻找新型电解质，在负极设计保护涂层等。其中，硫碳复合材料得到了广泛的研究。

石墨烯其导电性优异、比表面积大、孔体积大、结构稳定性好，因此被视为Li-S电池中最有希望的导电基质。根据制备工艺的不同，石墨烯可以具有不同的特性，在Li-S电池中充当的角色也会不同。

【成果简介】

近日，中科院金属所李峰研究员（通讯作者）、刘畅研究员（通讯作者）等人利用简单的方法合成出孔体积高达3.51 cm3 g−1的高度孔隙化的石墨烯（HPG）。它至少可以负载80wt%的硫，这就在一定程度上可以得到高达5 mg cm−2的硫负载量。通过对正极整体结构的设计，他们提出了一个全石墨烯结构，其结构如图一所示。此结构中，高导电性的石墨烯（HCG）用作集流体，带有适当数量含氧官能团的部分氧化石墨烯（POG）可用过多硫化物的吸附层。

【图文导读】

图一、硫正极全石墨烯结构设计示意图

图二、高度孔隙化石墨烯（HPC）

a）典型SEM图像； b）氮吸附—脱吸附等温线；c）孔径尺寸分布曲线；

d）拉曼光谱；   e）S/HPG和纯硫在氩气中从室温至600℃的TGA曲线；

f）S/HPG、HPG和纯硫的XRD图谱。

图三、S/HPG样品

a）透射电子显微镜（TEM）照片；  b）扫描隧道电子显微镜（STEM）照片；

c）扫描电子显微镜（SEM）照片；   d）与硫元素相对应的元素分布图。

图四、POG样品

a）C 1s的XPS图谱（插图显示了POG片与羰基和醚环结构图）；

b）SEM照片；    c）吸附层表面的SEM照片；

d）HCG集流体表面的SEM照片（插图为横截面的SEM图像）。

图五、全石墨烯硫正极材料

a）在循环之前和循环之后分别10和20个循环的电化学阻抗谱（插图为黑色矩形区域的放大图）；

b）扫描速度为0.1 mV s−1时CV曲线（插图为5个周期的CV曲线）；

c,d)  在不同电流密度时，倍率性能（c）和相应的充/放电曲线（d）；

e）在0.34 A g−1时的循环稳定性及库伦效率（插图是相应的面积容量）。

【小结】

李峰研究员等人通过制备一个高度多孔的石墨烯材料来负载硫，使其硫含量高达80wt.%，并基于此制备出具有高导电性全石墨烯结构的硫正极材料。此正极材料结构的设计使其中硫含量较高，从而具有优异的循环稳定性，较高的起始重量比容量（1500 mAh/g ）及面比容量（7.5 mAh cm-2 ），为高能量Li-S电池的进一步发展提供了可能。

【通讯作者简介】

李峰，中国科院金属研究所研究员，国家杰出青年基金获得者。目前主要从事电化学能量储存与转换用碳基纳米材料及相关器件的制备和应用研究。

刘畅，中国科院金属研究所研究员，博士生导师。主要从事碳纳米管制备、性能与应用探索研究。

（通讯作者信息来自：中国科学院金属研究所）

文献链接：Toward More Reliable Lithium–Sulfur Batteries: An All-Graphene Cathode Structure（ACS Nano , 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b04019 ）

本文由材料人编辑部新能源学术组 NeverSayBye 供稿，点我加入编辑部。

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