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上海理工大学郑时有教授团队：中空炭球的设计及其在室温钠硫和钾硫电池中的研究进展

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-11-23 09:06

正文

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一、研究背景

室温钠-硫（RT Na−S）和钾-硫（K−S）电池因原料储量丰富、能量密度高、成本低等优点，被认为是极具潜力的下一代储能体系。然而，严重的穿梭效应、较大的体积膨胀和较差的导电性阻碍了它们的实际应用。为解决这些问题，构建具有丰富载硫空间、充足亲硫位点、高固硫能力、高导电性的碳基材料是一种有效的策略。其中，结构可调、成分可控的空心炭球作为硫载体在Na−S和K−S电池中表现出良好的应用前景。

二、 工作简介

该综述首先回顾了室温钠-硫（RT Na-S）和钾-硫（K-S）电池的主要工作原理以及电池循环过程中存在严重的穿梭效应、较大的体积膨胀和较差的导电性等问题，同时针对上述问题，中空炭球材料具有丰富载硫空间、充足亲硫位点、高固硫能力、高导电性等优势而被广泛应用在室温Na-S和K-S电池中。并依次介绍了中空炭球的优势、主要制备方法以及在Na-S和K-S电池中的应用（图1）。

Fig. 1 Overview of hollow carbon spheres in Na-S and K-S batteries

中空结构不仅可以提供更大的内部空间，实现更高的硫负荷，减轻碱化过程中的体积变化，而且可以更有效地限制小分子聚硫化钠，当硫进入内部空间时，它被中空炭球的物理或化学吸附形成的屏障限制在结构中。同时，中空结构的综合形态和化学成分的灵活性有望在这些材料的设计和制造中发挥关键作用。

合成中空炭球的两种主要方法是硬模板法和软模板法（图2），由于软模板法制备的空心产物的形貌和单分散性较难控制，研究人员经常采用硬模板法。在Na−S和K−S电池中，熔融扩散法常被用作制备空心炭球/硫复合材料的主要策略。同时，为了提高硫位点的活性，也常采用了高温硫负载法来实现高硫负载。

Fig. 2 (a) Schematic illustration of the preparation of meso-CS via hard templating (i), meso-CS via soft templating, and H-NCS by carbonization. (b) Schematic illustration of the synthesis process of h-NCS via hard templating. (c) Illustration of the preparation of NOCN. (d) Nyquist plots of the samples. (e) Cycling performance of NOCN-850-3 for 10000 cycles at 10.0 A g ⁻ ¹ . (f) Schematic diagram of the fabrication of S@MHCS. (g) Cycling property of S@MHCS electrodes. (h) Rate performance of S@MHCS. (i) The preparation procedure of Co-CoFe ₂ O ₄ @PCHMs. (j) The SEM image of PCHMs. (k) The contour maps of Co-CoFe ₂ O ₄ @PCHMs

接着，该综述分别讨论了中空炭球在Na-S和K-S电池中的实际应用（图3），其作为硫宿主材料有效负载活性硫并将硫限制在宿主材料中，成功锚定和约束可溶于电解质的多硫化物，改善了穿梭效应，促进了电子的快速转移，减轻了循环过程中的体积膨胀，显著提高了反应动力学和硫的利用率。

Fig. 3 (a) Schematic illustration for the formation process of C/S with microporous structure. (b) The TOF-SIMS data illustrating the characteristics of C/S with microporous structure. (c) Schematic diagram of the existing status of S in the porous carbon host: S ₃ (green) and S ₂ (purple). (d) Galvanostatic charge-discharge curves at 0.02 A g ⁻¹ of C/S with microporous structure. (e) Cycling performance and Coulombic efficiency of the microporous C/S composite at 20 mA g ⁻¹

最后，该综述从空心炭球在Na-S和K-S电池中的应用及其性能提升机制，以及对未来高性能金属-硫电池的发展进行了总结和展望。

论文信息：

QI Zi-xin, LUO Sai-nan, RUAN Jia-feng, YUAN Tao, PANG Yue-peng, YANG Jun-he, ZHENG Shi-you. Recent advances in producing hollow carbon spheres for use in sodium−sulfur and potassium−sulfur batteries[J]. New Carbon Mater., 2024, 39(5): 824-843.

齐子欣, 骆赛男, 阮佳锋, 袁涛, 庞越鹏, 杨俊和, 郑时有. 中空炭球的设计及其在室温钠硫和钾硫电池中的应用进展[J]. 新型炭材料（中英文） , 2024, 39(5): 824-843.

DOI: 10.1016/S1872-5805(24)60879-6

团

队

简

介

郑时有， 上海理工大学材料与化学学院教授、博导，百千万人才工程国家级人选、国家有突出贡献中青年专家、国务院政府特殊津贴专家、上海领军人才、上海市优秀学术带头人、上海高校特聘教授（东方学者）。获上海市自然科学一等奖（第2完成人），上海市育才奖。主要从事新能源材料的基础与应用研究，承担国家自然科学基金面上项目3项和上海市基础研究重点与科研创新重大等省部级项目10余项。在Nat. Commun., Mater. Today, Adv. Energy Mater.等国内外一流期刊上发表论文100多篇，其中影响因子10以上30余篇；申请国家发明专利超30项，PCT国际专利2项，授权专利10项。

期刊官网：

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/

国际版主页：

https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials