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南京大学金钟、刘杰团队研发可快速充放电、耐高温的锂硫电池三维交联结构正极材料

化学加 · 公众号 · 化学 · 2017-09-22 17:08

正文

来源 | 南京大学化学化工学院编辑 | 化学加

导读

　南京大学化学化工学院金钟、刘杰教授共同带领的“先进能源材料与器件”研究团队在高倍率、高耐受性能的锂硫电池方面取得研究进展，相关成果以“Self-Templated Formation of Interlaced Carbon Nanotubes Threaded Hollow Co₃S₄ Nanoboxes for High-Rate and Heat-Resistant Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在Journal of the American Chemical Society, 2017, 139, 12710-12715。陈涛博士为论文第一作者，本科四年级学生张泽文为论文第二作者。

图1. S@CNTs/Co₃S₄-NBs正极和S@Co₃S₄-NBs 正极的结构优势对比示意图。

图2. S@CNTs/Co₃S₄-NBs正极合成过程示意图（a）和导电网络示意图（b）。CNTs/Co₃S₄-NBs的SEM 图（c）和TEM图（d-h）。S@CNTs/Co₃S₄-NBs的SEM图（i）和TEM图（j）。

    现阶段，锂硫电池普遍采用的传统醚类电解液的沸点和闪点较低，无法满足电池在高温下的工作需求；同时，高温工作环境也会加速多硫化锂在电解液中的溶解，从而引发严重的“穿梭效应”。针对这些关键问题，该团队设计了一种自模板合成法，将ZIF-67在碳纳米管（CNTs）的交联网络上成核形成纳米立方体，然后将CNTs/ZIF-67前驱体转化为碳纳米管/Co₃S₄空心纳米盒子（CNTs/Co₃S₄-NBs）。该结构设计具有以下几个优势：
    Ø 提供了一个微区化和整体化的三维导电网络（特别是Co₃S₄空心纳米盒子内部的活性硫），显著提高活性硫的利用率和倍率性能。
    Ø 可加速电子传输并且缩短了锂离子扩散路径，从而促进电化学氧化还原过程的动力学行为。
    Ø 提高了电极/电解液接触面积（尤其是内部纵深位置的活性硫）并且提供了更多的开放通道以便电解液渗透。

图3. 基于S@CNTs/Co₃S₄-NBs正极的锂硫电池的电化学性能。

图4. 循环后的电极片浸泡在电解液中得到的紫外吸收曲线（a）；S@CNTs/Co₃S₄-NBs正极在50°C下，0.2 C时的循环性能（b）；在50°C下，S@CNTs/Co₃S₄-NBs正极的倍率性能（c,d）。

    研究结果表明，这种S@CNTs/Co₃S₄-NBs正极材料具有非常出色的高倍率性能。此外，该电极在醚类电解液中和50°C下，以0.2 C充放电循环300次后，其放电比容量仍可维持在718 mAh/g，这为研发和设计耐高温的锂硫电池正极材料提供了崭新的思路。
    近两年以来，该课题组在锂硫电池正极材料方面已经开展了深入的研究（Nano letters, 2016, 17, 437; Nano Energy, 2017, 38, 239; ACS Nano, 2017, 11, 7, 7274）。这些研究工作得到了青年千人计划、973计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。