ACS Nano：金屬所研發全石墨烯為正極材料的鋰硫電池，性能更佳可靠

【引言】

硫具有較高的理論比容量（1675 mAh/g）和較高的能量密度（2567 Wh/kg），且其價格低廉、儲量豐富、環境友好，所以鋰硫（Li-S）電池成為了新興二次電池技術中有力的競爭者；盡管Li-S電池具有上述優勢，但是其電化學體系仍受到幾個固有問題的困擾，其中包括：硫及固體還原產物導電率較低（Li2S2和Li2S）；高度可溶的中間產物（多硫化物）會和鋰負極會產生嚴重的副反應（Li2Sn，3≤N≤8）；從硫到Li2S會產生很大的體積膨脹（?80％）。這些問題會使得Li-S電池比容量較低，容量衰減迅速，倍率性能較差，庫侖效率偏低，為了解決這些問題開發高能量的Li-S電池能量存儲系統，研究者們采取了一系列的措施解決上述問題，如：開發硫復合正極材料，尋找新型電解質，在負極設計保護涂層等。其中，硫碳復合材料得到了廣泛的研究。

石墨烯其導電性優異、比表面積大、孔體積大、結構穩定性好，因此被視為Li-S電池中最有希望的導電基質。根據制備工藝的不同，石墨烯可以具有不同的特性，在Li-S電池中充當的角色也會不同。

【成果簡介】

近日，中科院金屬所李峰研究員（通訊作者）、劉暢研究員（通訊作者）等人利用簡單的方法合成出孔體積高達3.51 cm3 g?1的高度孔隙化的石墨烯（HPG）。它至少可以負載80wt%的硫，這就在一定程度上可以得到高達5 mg cm?2的硫負載量。通過對正極整體結構的設計，他們提出了一個全石墨烯結構，其結構如圖一所示。此結構中，高導電性的石墨烯（HCG）用作集流體，帶有適當數量含氧官能團的部分氧化石墨烯（POG）可用過多硫化物的吸附層。

【圖文導讀】

圖一、硫正極全石墨烯結構設計示意圖

圖二、高度孔隙化石墨烯（HPC）

a）典型SEM圖像； b）氮吸附—脫吸附等溫線；c）孔徑尺寸分布曲線；

d）拉曼光譜； ? e）S/HPG和純硫在氬氣中從室溫至600℃的TGA曲線；

f）S/HPG、HPG和純硫的XRD圖譜。

圖三、S/HPG樣品

a）透射電子顯微鏡（TEM）照片； ?b）掃描隧道電子顯微鏡（STEM）照片；

c）掃描電子顯微鏡（SEM）照片； ? d）與硫元素相對應的元素分布圖。

圖四、POG樣品

a）C 1s的XPS圖譜（插圖顯示了POG片與羰基和醚環結構圖）；

b）SEM照片； ? ?c）吸附層表面的SEM照片；

d）HCG集流體表面的SEM照片（插圖為橫截面的SEM圖像）。

圖五、全石墨烯硫正極材料

a）在循環之前和循環之后分別10和20個循環的電化學阻抗譜（插圖為黑色矩形區域的放大圖）；

b）掃描速度為0.1 mV s?1時CV曲線（插圖為5個周期的CV曲線）；

c,d) ?在不同電流密度時，倍率性能（c）和相應的充/放電曲線（d）；

e）在0.34 A g?1時的循環穩定性及庫倫效率（插圖是相應的面積容量）。

【小結】

李峰研究員等人通過制備一個高度多孔的石墨烯材料來負載硫，使其硫含量高達80wt.%，并基于此制備出具有高導電性全石墨烯結構的硫正極材料。此正極材料結構的設計使其中硫含量較高，從而具有優異的循環穩定性，較高的起始重量比容量（1500 mAh/g ）及面比容量（7.5 mAh cm-2 ），為高能量Li-S電池的進一步發展提供了可能。

【通訊作者簡介】

李峰，中國科院金屬研究所研究員，國家杰出青年基金獲得者。目前主要從事電化學能量儲存與轉換用碳基納米材料及相關器件的制備和應用研究。

劉暢，中國科院金屬研究所研究員，博士生導師。主要從事碳納米管制備、性能與應用探索研究。

（通訊作者信息來自：中國科學院金屬研究所）

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

本文由材料人編輯部新能源學術組 NeverSayBye 供稿，點我加入編輯部。

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