廈門大學化學化工學院董全峰教授課題組：鋰硫電池正極材料研究新進展

【成果簡介】

董全峰教授課題組在鋰硫電池正極材料研究中取得重要進展，相關研究成果以“A Honneycomb-like Co@N-C Composite for Ultra-high Sulfur Loading Li-S batteries”為題發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖1 示意圖及性能表征

（a）多孔蜂窩狀Co @ N-C復合物的分步合成示意圖。

制備的（b）CoAl-LDH模板，（c）CoAl-LDH @ ZIF-67前體和（d）多孔蜂窩狀Co @ N-C復合材料的相應SEM圖像。

圖2 性能表征

（a）多孔蜂窩狀Co @ N-C和Co-N-C復合材料的XPS光譜。

（b）C 1s譜圖。

（c）N 1s譜圖。

（d）多孔蜂窩狀Co @ N-C復合物的Co 2p_?3/2 XPS譜圖。洛倫茲-高斯函數用于推導光譜的原始和擬合數據。

【研究內容】

鋰硫電池是新一代高比能化學電源，董全峰教授課題組對該體系硫復合正極材料開展了系統的研究。前期通過原位拉曼技術并結合理論計算探究鋰硫電池的反應機理，證實對載硫基體材料的摻氮修飾可實現單質硫作為正極活性材料的完整充放電循環（Chem. Mater., 2015, 27, 2048?2055）；隨后首次將Co-N的協同催化效應成功應用于S的氧化還原過程，提出了“多功能，雙催化”的概念（EES, 2016, 9, 1998-2004）；在提高復合正極材料的硫含量上，該課題組首次制備出非碳類介孔Co₄N微球實現了高達95%的載硫量（ACS Nano, 2017, 11, 6031-6039）。

但是要實現可超越現有鋰離子電池的高比能鋰硫電池的商業化應用，不僅需要提高復合正極材料的硫含量（high sulfur content, HSC），還需要對硫復合電極的硫載量（high sulfur loading, HSL）進行提升，目前與鋰硫電池正極材料的相關報道中硫載量一般都低于3.0 mg?cm^-2,這是不夠的。通常情況下，硫含量和硫載量的提高會導致更嚴重的“穿梭效應”、更低的容量、更快的容量衰減率等，因此如何在實現“高硫含量和高硫載量”的同時保持著優異的電化學性能是高比能鋰硫電池發展過程中存在的一大挑戰。董全峰教授課題組在前期研究工作的基礎上，利用仿生學原理，采用模板法構筑了一種新型的準二維多孔蜂窩狀Co@N-C材料作為鋰硫電池的載硫基體。科學研究發現，蜂窩狀的結構具有最高的密度、最大的可利用空間以及所需要的材料最少等優勢，將這樣一種特殊的結構作為鋰硫電池的骨架材料，不僅讓具有高比表面積的單片蜂窩狀實現高含量的硫復合（93.6 wt%），還可以通過多層蜂窩片的有序堆積實現高的載硫量（7.5 mg?cm^-2），同時保持了Co-N的“雙催化”、多功能的作用，取得了優異的電化學性能。

該研究工作主要是由我院2013級博士生李藝娟在董全峰教授和鄭明森副教授的指導下完成，范鏡敏博士、碩士生張金花和楊靜芳等參與了部分工作。此工作得到了袁汝明老師和臺灣國立中央大學張仁奎教授的積極幫助與支持，并得到了科技部重大基礎研究計劃（973計劃，項目批準號：2015CB251102）、國家自然科學基金委（項目批準號：U1305246, 21673196，21621091）和中央高校基本科研業務費專項資金（項目批準號：20720150042）的資助。

原文鏈接：http://chem.xmu.edu.cn/show.asp?id=2303

文獻鏈接：A Honneycomb-like Co@N-C Composite for Ultra-high Sulfur Loading Li-S batteries (ACS Nano, 2017, DOI:10.1021/acsnano.7b06061)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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