南京大学化学化工学院金钟教授共同带领的“微纳米能源材料课题组”在锂硫电池正极材料方面取得重要进展。相关研究成果近期以《Highly Efficient Retention of Polysulfides in Sea-Urchin-like Carbon Nanotube/Nanopolyhedra Superstructures as Cathode Material for Ultralong-Life Lithium-Sulfur Batteries》为题发表在Nano Letters, 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04433）。助理研究员陈涛博士为论文第一作者，大四本科生成宝睿同学为论文第二作者。

    进入信息时代以来，传统的锂离子电池已经不能满足能耗日益增大的便携电子产品、电动汽车和无人飞机等设备的需求，研发更高性能的二次电池已经成为新能源领域的当务之急。锂硫电池因为其高理论比容量（~1672 mAh g^-1）和能量密度（~2600 Wh kg^-1）而受到广泛关注，有望成为替代锂离子电池的新一代二次电池。然而，由于单质硫在锂化时的体积膨胀、多硫化锂中间体（Li₂S_x）在电解液中的扩散、以及单质硫和硫化锂（Li₂S）的低导电性，锂硫电池通常表现出较快的容量衰减、较低的库伦效率和较差的循环稳定性。这些关键问题严重阻碍了锂硫电池的实用化。

    针对这些问题，金钟课题组设计了一种双金属有机骨架衍生的“海胆”状锂硫正极材料（图1）。通过将双金属ZnCo-ZIFs前驱体在Ar/H₂混合气氛中于800 °C煅烧获得Co纳米粒子镶嵌的“海胆”状氮掺杂碳纳米管-碳多面体超级结构Co-NCNT/NP（图2），该结构能有效缓冲单质硫在锂化时的体积膨胀、阻止多硫化物的穿梭效应并提高了复合正极材料的导电性。

    作者通过与S@NCNT/NP（不含Co）以及S@Co-NCNP（不含氮掺杂碳管）两个样品的对比进一步佐证了Co-NCNT/NP有很高的导电性和很强的多硫化锂吸附能力，其循环稳定性和倍率性能都有很大提升。这种电极材料在单质硫的担载量为80 wt%的情况下，以1.0 C的电流密度循环1500圈后，比容量仍能维持在570 mAh g^-1，平均每圈的衰减速率仅为0.026%（图3）。更为重要的是，在单质硫的面积负载率高达3.2 mg cm^-2下，仍然具有稳定的循环性能和较高的面积容量。这项工作设计了一种全新结构的锂硫正极复合材料，为实现发展新一代高容量锂硫电池提供了新的思路。

    该研究工作得到了973计划、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。

图1. (a) 采用ZnCo-ZIFs前驱体制备“海胆”状Co-NCNT/NP。(b) “海胆”状Co-NCNT/NP结构限制硫和多硫化物的穿梭效应的示意图。

 

图2. (a) 海胆照片和“海胆”状Co-NCNT/NP的(b) SEM、(c-e) TEM表征和(f) 能谱分析。

 

图3. 基于S@Co-NCNT/NP复合正极的锂硫电池的电化学性能。