第一作者：Gaoran Li, Wen Lei

第一通讯：陈中伟

通讯单位：滑铁卢大学

研究亮点：

1. 设计带有纤维骨架、多孔立方体、在立方体上生根的碳纳米管（CNT）触角的层次化体系结构的线状碳质混合物（CPZC），并将其应用在Li-S电池上。

2. CPZC具有优异的导电性、丰富的活性界面以及对多硫化物的强限制，因此能够显著地加快硫的氧化还原动力学并提高电池的循环寿命。

    由于其高的能量密度（是传统锂离子电池的两倍（2500 vs. 500 Wh/kg））、低的成本效益和良好的环境友好性，锂硫（Li-S）电池给能源存储领域带来了巨大希望。然而，锂硫电池的实际应用仍受到几个方面的阻碍，元素硫和其锂化产物的绝缘性，中间体多硫化物的溶解和穿梭效应，以及电池循环过程中活性物质大的体积变化，导致实际能量密度不令人满意并且可持续性差。

    正极材料合理的结构设计对于提高锂硫电池的能量密度具有重要意义: 无粘合剂、高度互连且导电的基体能够很好的提高电极耐用性和电导率；充足的电极/电解质界面可以进行充分的硫氧化还原反应；设计结构可以有效地限制多硫化物的穿梭效应并提高能量效率。此外，Li-S电池的能量密度取决于电极和电解质之间的协同作用，硫含量不足和电解液的过量使用会严重影响电池体系的能量密度，因此，需要设计能够在相当高的硫负荷和最小的电解质剂量维持下适当的电极正极材料。

    有鉴于此，滑铁卢大学陈中伟课题组和华科大王得丽课题组开发了一种带有纤维骨架、多孔立方体、在立方体上生根的碳纳米管（CNT）触角的具有层次化体系结构的管状立方体碳质混合物（表示为CPZC），并将其作为硫的载体以改善Li-S电池性能。

   这种新开发的分层结构为加快电子传导提供了高度互连的纤维网络，高孔隙率易于电解质渗透和加速离子转移，高比表面用于充分的界面反应，从而实现高效快速的硫氧化还原反应。同时，CPZC中的高孔隙率和元素掺杂对多硫化物进行限制，有助于抑制穿梭效应并因此提高电池耐久性。因此， CPZC具有卓越的电化学性能，即高达10C的倍率性能和超过2000次循环的超长测试中超低的容量衰减率0.016％。此外，在高硫负载13.5mg cm-2和低至E / S = 3mL g-1的贫电解质下，可获得的高能量密度348.8 Wh kg-1，显示出实际应用中具有极大的潜力。

    在这样的构造中，聚丙烯腈（PAN）衍生的碳纤维骨架内有大量的源自ZIF-67的碳立方体，而CNT通过CVD工艺生长其表面以进一步互连形成自立式的高度导电网络。

图1 CPZC的合成示意图。

图2电镜分析:（a-c）CP，（d-f）CPZ和（g-i）CPZC的SEM和TEM图。

图3物理表征:（a）CP，CPZ和CPZC织物的XRD图和（b）拉曼光谱。（c）CPZC复合物的N2吸脱附曲线和孔隙分布。（d-f）CPZC复合物的XPS谱。

图4电化学性能表征（一）。

图4电化学性能表征（二）。

      CPZC的结构优势赋予相应的高硫利用率、快速的反应动力学，即使在高硫负载和低电解质下也具有优异的可循环性，这展现出高能量密度Li-S电池在未来具有巨大的应用前景。这项工作为改进Li-S电化学性能提供了合理的结构构造，这也有望扩展到各种储能和转换系统，包括锂离子电池、超级电容器和电化学催化，为推动锂电池的实际应用起到巨大作用。

参考文献：

Stringed "tube on cube" nanohybrids as compact cathode matrix for high‐loading and lean‐electrolyte lithium‐sulfur batteries

DOI: 10.1039/C8EE01377B

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01377b#!divAbstract