具有高活性納米鈷嵌入物和氮摻雜劑的超結構多孔炭納米片：高性能鋰硫電池正負極兩用載體

最新 04-19

以硫單質為正極和鋰金屬為負極的鋰硫電池具有能量密度高、成本低、環境友好等優點，受到學術界和產業界的廣泛關注。然而，硫正極的穿梭效應和緩慢反應動力學以及鋰金屬負極的枝晶問題嚴重製約了鋰硫電池的實際應用。傳統的研究思路多集中於開發可改善單側電極性能的新材料，難以利用單一材料同時提升鋰硫電池的正極和負極性能。

針對上述問題，中山大學吳丁財教授課題組利用含鈷有機-無機雜化納米顆粒（Co/Zn-ZIFs）與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在氧化石墨烯表面協同自組裝，設計製備了一類具有高活性納米鈷嵌入物和氮摻雜劑的超結構多孔炭納米片（Co/N-PCNSs）。Co/N-PCNSs的雜化骨架由氮摻雜局域石墨化碳層封裝的鈷納米顆粒、氮摻雜無定形炭和石墨烯組成，具有層次化的微孔-中孔-大孔結構特徵，可同時用作高性能鋰硫電池載硫和載鋰材料。實驗和理論計算結果表明，Co/N共修飾具有獨特的高功能協同效應：氮摻雜石墨化碳封裝的鈷納米顆粒不僅可以通過電子轉移作用與氮摻雜劑共同抑制多硫化鋰的穿梭效應，還可以提高硫正極的氧化還原反應動力學；與此同時，多孔炭納米片的高比表面積特徵及其表面氮雜原子的高效親鋰效應均有利於鋰金屬在其多層次孔道的均勻沉積，從而有效抑制鋰枝晶的生長。因此，基於載硫Co/N-PCNSs正極和載鋰Co/N-PCNSs負極的鋰硫全電池具有優異的循環穩定性。

該研究不僅對深入理解材料的結構—電化學性能關係提供了新的視角，同時也對高性能鋰硫電池器件的開發提供了全新思路。相關論文發表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201706895）上，合作者包括清華大學深圳研究生院李佳副教授、大連理工大學邱介山教授和王治宇教授等。