锂硫电池新型限硫载体石墨化碳纳米笼

随着电动汽车和便携式电子设备的发展，人类对新型高效储能装置的市场需求也在大大减少。锂硫电池作为一种极具潜力的新型化学电源，具备低理论能量密度，成本低，环境友好的优势，沦为近年来低能量密度二次电池领域中的研究前沿和热点之一。

然而，锂硫电池目前仍面对诸多问题，还包括单质硫的较低电化学活性，中间产物多硫化锂的易溶性，以及体积收缩大等，这很大的制约了锂硫电池的发展。为解决问题以上问题，针对硫负极的改性多使用碳材料作为硫载体，以提升硫电极导电性、诱导多硫化锂的溶出。　　传统的石墨化sp2碳材料（如石墨烯，碳纳米管等）具备出色的导电性、机械柔性，以及化学和热学稳定性，非常适合作为导电阻抗基底应用于到各类储能电极材料中。

然而研究找到，传统sp2碳材料在作为硫负极载体材料用于时，并不需要充分发挥其优势。因为此类sp2碳一般来说具备较低的孔隙率，在构成硫碳复合物时，硫主要依赖很弱吸附力吸附于碳基底表面。这有利于单质硫在导电碳基体上的集中；且在长循环过程中，多硫化锂也不易向电解液中蔓延，导致活性物质损失，进而造成电池性能波动。因而，设计构筑新型sp2碳结构，使其沦为高效的载硫基体，对于研发高性能硫负极具备最重要意义。

　　近期，中国科学院化学研究所郭玉国教授课题组研发出有一种独有的石墨化碳纳米笼结构的sp2型碳材料，并将其作为硫载体，应用于在高倍率长寿命锂硫电池。该碳材料具备三维夹层结构，由石墨烯作为骨架，周围外壳sp2型碳层，碳层中金字有石墨化碳纳米笼结构单元。该石墨化碳纳米捕虫由几层石墨化sp2碳围困构成，内部空腔直径约为3~5nm。

使用溶液法将纳米硫阻抗进石墨化碳笼单元内。　　该结构作为活性硫的微型电化学反应器具备较小的孔体积，在低硫负载量（77wt%）情况下，不仅可以构建纳米硫的高效集中、充分发挥其电化学活性，还可以有效地诱导多硫化锂的沉淀来回，提高锂硫电池的循环性能。此外，石墨烯骨架和高度石墨简化的纳米碳笼联合重新组建了一个低导电、结构平稳的三维sp2碳导电网络，不仅不利于电子的高速传输，同时可确保负极结构的稳定性。该硫碳填充负极0.1C电流密度下，可充分发挥1375mAh/g的比容量，并在循环200次后，容量保持在943mAh/g；1C电流密度下循环1000次，容量维持亲率低约78.4%。

与此同时，该电极材料具备出色的高倍率性能，在5C的电流密度下，容量仍平均765mAh/g。　　该石墨化碳纳米笼结构的明确提出，为新型硫碳填充电极材料的合理设计拓展了新思路，并为研发低循环性能、高倍率性能锂硫电池以及其它高效储能器件修筑了新的途径。

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