快速充放电且耐高温锂硫电池三维交联结构正极材料研究

【成果简介】

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 Co3S4Nanoboxes 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。

【图文导读】

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

所获得的硫填充CNT / Co3S4-NBs（S@CNTs/Co3S4-NBs）阴极可以提供高放电容量，显著的速率性能和令人印象深刻的循环稳定性，远优于简单含硫填充的Co3S4的对照样品

图2 紫外吸收曲线及循环性能

（a）循环后的电极片浸泡在电解液中得到的紫外吸收曲线

（b）S@CNTs/Co3S4-NBs正极在50°C下，0.2 C时的循环性能

（c,d）在50°C下，S@CNTs/Co3S4-NBs正极的倍率性能

【研究内容】

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

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。 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。 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。

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。