锂硫（Li-S）电池通过一系列可溶性的多硫化锂中间体（LiPSs）在硫和硫化锂（Li2S）之间发生可逆转化反应，使其理论比容量高达1675 mAh g-1。但是，该过程极化程度大，硫利用率低，存在临界容量衰减现象。迄今为止，解决这个问题的主要方法是将S渗透到纳米结构碳中。然而，大多数使用多孔碳作为主体材料的研究都是在高电解质/硫比（E/S）（一般>15 µL mg−1）的情况下进行测试，这会损害电池级的能量密度。
近日，美国斯坦福大学鲍哲南教授，崔屹教授报道了设计了一种带有镍（Ni）纳米颗粒的花状多孔碳结构，以有效解决上述问题。
文章要点
1）首先，3D碳花（CF）形状的结构可以实现较短的离子传输路径；其次，它具有超高比表面积（>3300 m2 g-1）；第三，孔径小于5 nm，而在足够的孔容条件下，小孔直径<10 nm和高比表面积是低E/S比充电的理想材料。研究人员最后将Ni纳米颗粒引入到3D CF中，进一步为硫电池提供了可靠的主体材料。
2）研究发现，Ni纳米颗粒修饰的3D CF作为S的主体材料可以实现更高的容量和更持久的循环。研究人员首先比较了碳花硫（CF/S）电极和碳片硫（CS-S）电极的电容，两种电极的孔径、孔体积和比表面积等性能相似。研究发现，CF/S电极在第5次循环中可以将容量从800提高到1000 mAh g−1。循环保持率从70%提高到75%，并且可以获得更稳定的库仑效率。此外，CF电极的扩散常数比CS电极高30%。这验证了与传统的碳结构相比，裸露的花瓣结构和插层纳米碳花可以提供更快的扩散途径。此外，随着Ni纳米颗粒的加入，与LiPS的化学反应更加紧密，具有更出色的反应动力学。所有这些优势表明，CF是S的理想主体材料。
3）实验结果显示，Ni-CF/S电极在C/10（S含量为64%）下循环50次后，容量保持在原来的87%以上。此外，即使在具有5 mg cm−2的高质量负载量和5 µL mg−1 E/S比的情况下，其在150次循环后仍可以保持70%的容量保持率。
这种以CF为主体材料，添加Ni纳米颗粒以提高动力学反应和稳定性的简单有效的策略，是实现锂硫电池在长时间循环中获得高的实用功率和能量密度的关键。
参考文献
Yuchi Tsao, et al, A Nickel-Decorated Carbon Flower/Sulfur Cathode for Lean-Electrolyte Lithium–Sulfur Batteries, Adv. Energy Mater. 2021
DOI: 10.1002/aenm.202101449
https://doi.org/10.1002/aenm.202101449
