四川大學&伍倫貢大學Adv. Funct. Mater.：3D多功能氧化鎂修飾的碳泡沫@碳納米管用于鋰硫電池正極

【引言】

鋰硫電池是一種以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的鋰電池，其材料理論比容量（1675 mAh /g）和理論能量密度（2600 Wh /kg）遠高于商業上廣泛運用的鈷酸鋰電池。然而它存在的問題也很嚴重：如硫的導電性極差，不利于電池高倍率性能；硫在充放電過程中體積變化大，易對電池造成損傷等。因此出現硫的利用率低，庫倫效率低的困難。解決這些問題對于電池的應用來說至關重要。

【成果介紹】

近日，劉恒教授及伍倫貢大學竇世學教授（共同通訊）等在Advanced Functional Materials上發表了題為“Carbon Foam@CNTs Hybrid as Self-Supported Cathode for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries”的文章。文章報道了一種簡便的制備新型3D柔性多功能氮摻雜碳納米管電極的方法。同時碳納米管被氧化鎂納米片修飾。研究者通過采用簡便的液相浸漬/吸附方法與商業上廉價的三聚氰胺泡沫（MF）的熱解相結合的方式來制備CF@CNTs/MgO復合物。該方法可以實現對硫負載量的高效的控制。對負載量從3.8mg/cm²至14.4mg/cm²的不同的復合物進行了SEM，TEM，HRTEM，XRD，XPS，電化學測試等多種表征（見圖文介紹），最終得到合適的高硫負載率的復合物。文章對此進行了相應的分析。三維泡沫碳骨架的存在具有超凡的彈性和機械強度，使得制備的復合物不再需要粘合劑，同時多孔的框架提供了足夠的內部空間，可以減緩鋰硫電池循環過程中硫體積變化大的問題。在泡沫碳骨架上的緊密的CNT涂層可以促進電子或離子運輸和反應速度，也提供了高效的活性位點以期提高硫的負載率。超薄MgO納米片的修飾促進了反應過程中對鋰多硫化物的化學吸附作用，泡沫碳的原位雜原子氮摻雜也有利于對鋰多硫化合物的捕捉。該研究提供了一種相對簡單的制備CF@CNTs/MgO復合物的思路，為制備應用于可穿戴設備的柔性電極提供了新的方向。

【圖文介紹】

圖一：制備CF@CNTs/MgO-S復合物的簡圖及表征

（a）制備CF@CNTs/MgO-S復合物的簡圖；

（b）MF表征圖像（上：數字圖像；下：SEM圖像）；

（c）CF@CNTs/MgO表征圖像（上：數字圖像；下：SEM圖像）；

（e）CF@CNTs/MgO-S電極表征圖像（上：數字圖像；下：SEM圖像）。

圖二：CF@CNTs/MgO-S復合物的SEM和TEM表征

（a-c）不同放大倍數的CF@CNTs/MgO復合物的SEM圖像；

（d-e）CF@CNTs/MgO復合物的TEM和HRTEM圖像；

（g-j）CF@CNTs/MgO-S復合物在硫負載量分別為3.8，6.6，11.2，14.4mg/cm²時的SEM圖像；

（k-l）硫負載量為3.8mg/cm²時對應的CF@CNTs/MgO-S復合物中碳，氮，氧，硫和鎂元素映射；

圖三：XRD，Raman 和XPS表征

（a）硫，CF@CNTs，CF@CNTs/MgO，CF@CNTs-S和CF@CNTs/MgO-S的XRD圖像；

（b）CF@CNTs和CF@CNTs/MgO的Raman光譜圖像；

（c）CF@CNTs/MgO的拓展頻譜圖像；

（d-f）CF@CNTs/MgO的N 1s，C 1s和Mg 1s的高倍率XPS圖像。

圖四：CF@CNTs/MgO-S電極材料在硫負載量分別為3.8,6.6,11.2,14.4mg/cm²時的電化學表征

（a）第1和第60圈充放電曲線；

（b）倍率在1C時的循環性能及對應的庫倫效率；

（c）四種電極的面積比容量曲線；

（d）循環測試前電化學阻抗測試曲線；

（e）循環測試后電化學阻抗測試曲線；

（f）CF@CNTs/MgO-S電極（硫負載量為4mg/cm²）在倍率0.05C時的循環性能及對應的庫倫效率。

【小結】

這項工作中，研究人員探索了一種相對簡單的合成3D CF@CNTs/MgO的方法。將該復合物作為鋰硫電池的電極，可以提高硫的負載率，并能減輕穿梭效應。在泡沫碳骨架上引入了稠密的CNTs涂層，復合物表現出了很高的傳導性和彈性。超薄氧化鎂納米片的修飾和氮摻雜功能基團的利用促進了鋰多硫化物的化學吸附作用。因而該電極在硫負載量2.4mg/cm²時表現出了911mAh/g的本征放電容量，倍率為1C時經過350次循環仍保留68%的性能，（倍率為2C時，經過800次循環容量損耗為0.06%），當硫負載量為14.4mg/cm²，硫元素含量為78wt%，庫倫效率為0.05C，經過50次循環后電極仍保持較高的質量比容量612mAh/g和面積比容量8.8mAh/cm²，是當今商業鋰離子電池的將近兩倍。該研究為制備應用于可穿戴設備的柔性電極提供了新的方向。

文獻鏈接：Carbon Foam@CNTs Hybrid as Self-Supported Cathode for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries（Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201702573）

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