第一作者： Zhen Li
通讯作者：楼雄文
第一单位：南洋理工大学（新加坡）
研究亮点：
1. 将聚丙烯腈基复合正极材料中的活性物质含量提高到63wt%；
2. 制备得到的热解聚丙烯腈/二硫化硒(pPAN/SeS
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)复合正极具有优异的储锂和储钠性能。
作为锂硫电池中的一类特殊的正极材料，热解聚丙烯腈/硫（或称：硫化聚丙烯腈，缩写为：pPAN/S）和某些微孔碳/S复合材料可以完全规避多硫离子溶解的问题，能够在商业化的碳酸酯电解液中获得优异的循环稳定性。但是，在pPAN/S或微孔碳/S复合材料中，S的含量通常很难超过50wt%，且容量利用率不高，导致该复合材料的总体能量密度不高，限制了其实际应用。
有鉴于此，新加坡南洋理工大学楼雄文课题组报道了一种热解聚丙烯腈/二硫化硒（pPAN/SeS
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）复合正极，其活性物质含量高达63wt%，同时具有优异的储锂和储钠性能。
图1. pPAN/SeS
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的形貌和结构
该复合正极制备工艺简单，研究人员将静电纺丝制备的聚丙烯腈/聚苯乙烯（PAN/PS）复合纤维与SeS
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粉末密封在玻璃容器内进行加热处理，即得到多通道结构的pPAN/SeS
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复合正极。通过热重分析，确认该复合材料中活性物质的含量为63wt%。
活性物质含量的提升主要得益于两方面的贡献：
（1）Se元素的摩尔质量是S的约2.5倍，因此Se的引入能显著提高复合材料中活性物质的质量百分比；
（2）相对于粉末状的PAN，在多通道pPAN的微孔、介孔尺度的孔道结构中能储存部分具有电化学活性的SeS
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，进一步提升复合材料中活性物质的比例。
图2. 对pPAN/SeS
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和一些对比样品的表征
在热处理过程中，PS受热分解，形成了连续贯通的孔道结构，同时PAN与SeS
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发生脱氢反应，Se-S链状分子与PAN的高分子骨架形成化学键，得到pPAN/SeS
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复合材料。
图3. pPAN/SeS
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和pPAN/S，pPAN/Se的电化学性能对比
与pPAN/S和pPAN/Se相比，pPAN/SeS
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结合了二者各自的优点。pPAN/SeS
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的电化学活性更多地类似于pPAN/Se；同时，得益于在理论比容量和电导率上的优势，pPAN/SeS
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的放电比容量又远高于二者。
图4. Li-SeS
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电池的性能
在0.5Ag
-1
的电流密度下，pPAN/SeS
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复合正极的储锂比容量达到>1000mAh g
-1
，并保持接近于100%的库伦效率。同时，pPAN/SeS
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具有优异的倍率性能和长循环稳定性，在4A g
-1
的电流密度下，能稳定循环2000次。
图5. 室温Na-SeS
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电池的性能
室温Na-S电池在近年来得到了很多关注。但是，受限于S和Na
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S的低电导率，室温Na-S电池的反应活性很难被大幅度提升。研究者将pPAN/SeS
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作为正极材料用于室温Na-SeS
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电池，显示出了优异的反应活性。在室温0.1A g
-1
的电流密度下，pPAN/SeS
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第二次放电的比容量高达944mAh g
-1
，其循环和倍率性能均远优于pPAN/S正极。
图6. 对循环后的pPAN/SeS
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进行的相关表征
通过对100次循环后的Li-SeS
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电池进行拆解分析，发现pPAN/SeS
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具有很好的电化学稳定性，在循环过程中完全没有Se或S的溶解问题，电极片和电极材料都保持了很好的稳定性。
总之，该研究提出的材料制备方法相对简单，与前期报道的基于PAN或基于微孔碳的复合材料相比，材料中活性物质的含量得到了明显提高。同时，pPAN/SeS
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展示出了优异的储锂和储钠活性，既具有较高的容量发挥，又能保持很好的循环稳定性。值得指出的是，虽然该工作中Se：S的比例在1:2时获得了很好的容量与倍率的平衡，但是，基于材料成本、电池性能、应用领域等综合因素考虑，正极材料中的Se/S比例仍然有很多优化提升的空间。
参考文献：
Li,Z.; Zhang, J.; Lu, Y.; Lou, X. W., A pyrolyzed polyacrylonitrile/seleniumdisulfide composite cathode with remarkable lithium and sodium storageperformances.
Science Advances
2018, 4 (6), eaat1687.
http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaat1687
作者简介
新加坡南洋理工大学楼雄文教授团队自成立至今，一直专注于新型纳米功能材料的开发及其在能源环境领域的应用，相关工作已在Nature Energy, Science Advances, Joule, Nature Communications,Advanced Materials, Angewandte Chemie-International Edition, Journal of the AmericanChemical Society, Energy & Environmental Science等业内顶级期刊上发表（参见其课题组主页http://www.ntu.edu.sg/home/xwlou/），引起了国内外学术界的广泛关注。
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