麥耀華Small：氮摻雜中空球形碳包覆硫材料用于制備高循環穩定性的鋰硫電池正極

引言

鋰硫電池硫電極因為其較高的理論質量比能量密度（2600 Wh/kg）而受到廣泛的研究。然而，它們的實際應用很大程度上受到幾個主要問題的阻礙，其中多硫化物的“穿梭效應”是阻礙鋰硫電池工程化應用的最重要的限制因素。由于電化學反應過程中緩慢的氧化還原動力學和循環過程中中間產物多硫化物在電解液的溶解和擴散，導致硫電極在大電流充放電過程中活性硫的利用率較低，電極循環穩定性很差。

研究人員在防止高階、可溶性多硫化鋰在電解液中溶解和促進低階、非可溶性多硫化鋰在電極內部沉積方面做了大量工作。最近的研究表明將硫和碳納米管、石墨烯復合制備的電極可以有效緩解多硫化物的溶解和擴散。盡管有這些初步的優勢，但硫電極在大電流下的長時間循環性能依然不能令人滿意；而中空二氧化鈦球、氧化鈣、五氧化二釩，片狀二硫化鉬、聚苯胺納米管等材料也報道可以形成封閉的硫存儲空間，但其低導電性限制了硫電極的電化學活性。此外，最近鋰硫電池中引入了電催化技術，可以在充放電反應過程中加速多硫化鋰的轉化、增強電化學反應動力學、緩解“穿梭效應”等方面發揮重要作用。然而，同時實現密封結構、高導電性和高效電催化轉化多硫化鋰活性的材料仍是鋰電池發展的巨大挑戰。

成果簡介

近日，暨南大學麥耀華教授課題組在Small期刊上發表題為“Encapsulation of Sulfur into N-Doped Porous Carbon Cages by a Facile, Template-free Method for Stable Lithium-Sulfur Cathode”的研究論文。該論文設計出了高性能的鋰硫電池中活性硫材料的宿主材料，研究制備了氮摻雜空心球碳(NHSC)作為的硫宿主材料，該前驅體材料在800 ℃下熱解制備，NHSC具有較高的導電性和較大的比表面積。傳統的硬模板制備中空球的方法不僅在制備過程中容易破壞碳納米結構的結構完整性，而且在合成后去除模板時易引入雜質。而本文采用的聚多巴胺在穩定的油/水混合界面聚合的方式，制備了中空球結構，這種方法不需要后續的硬模板去除工序。使用該中空球形封裝球形硫顆粒、制備了S@NHSC納米復合材料。由于碳納米球內部具有較大的介孔結構和相互接觸的多維結構，制備的S@NHSC納米復合材料不僅具有良好的導電性，而且獲得了較高的硫含量。重要的是，由于NHSC的物理封裝，有效地抑制了多硫化物的穿梭效應。此外，NHSC良好的催化活性顯著促進了多硫化鋰的快速轉化。得益于這些獨特的物理特性和新穎的化學功能，S@NHSC電極制備的鋰硫電池表現出了優異的電化學性能。曾帥波博士為本文的第一作者，通訊作者是鐘海副研究員和麥耀華教授。

圖文導讀

圖1：合成納米碳籠包覆硫顆粒示意圖。

圖2：(a₁, a₂)聚合物多巴胺球水洗前的SEM; (b₁, b₂)?聚合物多巴胺球水洗后的SEM;(c₁, c₂)氮摻雜中空球形碳材料SEM；(d₁,d₂)氮摻雜中空球形碳包覆硫材料SEM。

圖3：(a, b, c)氮摻雜中空球形碳TEM; (d, e, f)?氮摻雜中空球形碳包覆硫TEM;（g-i）氮摻雜中空球形碳包覆硫材料的各元素分布圖。

圖4：（a）不同材料電導率柱狀圖，內嵌電子轉移路徑圖; (b)氮摻雜中空球形碳吸附多硫化鋰展示圖；（c）氮摻雜中空球形碳和氮摻雜中空球形碳包覆硫材料的吸脫附曲線圖，內嵌兩種材料的孔徑分布圖；（d）硫磺粉，氮摻雜中空球形碳和氮摻雜中空球形碳包覆硫材料的熱重曲線圖；（e, f）氮摻雜中空球形碳包覆硫材料中 C 1s和?N 1s軌道的高分辨X射線光電子能譜圖。

圖5：?(a)?裝配有氮摻雜中空球形碳包覆硫電極的扣式電池和軟包電池電量”JUN”形狀的發光二極管；（b）裝配有氮摻雜中空球形碳包覆硫電極的電池放電示意圖；（c, d）裝配有氮摻雜中空球形碳包覆硫電極循環伏安圖和交流阻抗圖譜；（e，f）裝配有氮摻雜中空球形碳包覆硫電極和對照電極的循環性能曲線；(g, h)?裝配有氮摻雜中空球形碳包覆硫電極和對照電極的倍率性能曲線。

總結與展望

作者報道了在“油/水”多相體系下，多巴胺在油/水混合界面處自組裝、聚合獲得聚合物球，再碳化、滲硫處理后獲得了氮摻雜中空球形碳包覆硫材料。該材料在制備的硫電極有很好的電化學穩定性：在活性硫的面負載量為 2.8?mAh g^-1，其首次的可逆比容量高達1280.7 mAh g^-1，經過500次大電流，長周期的穩定循環后的容量衰減率平均僅為0.0373%，這遠遠高于作為對照組的硫/碳和未包覆的硫/多孔碳電極。

文章鏈接：Encapsulation of Sulfur into N-Doped Porous Carbon Cages by a Facile, Template-free Method for Stable Lithium-Sulfur Cathode. (Small,?DOI: DOI: 10.1002/smll.202001027)

本文由作者團隊供稿。