鋰硫電池（Li-S）是一種以金屬鋰作為負(fù)極，單質(zhì)硫或硫基復(fù)合材料作為正極的二次電池，其能量密度高達(dá)2600 Wh kg-1，近年來獲得了廣泛的關(guān)注。目前鋰硫電池主要存在著硫?qū)щ娦圆?、穿梭效?yīng)、充放電過程中形貌易坍塌等問題。同時鋰硫電池正極材料還面臨著硫負(fù)載量低（< 2.0 mg cm-2）和充放電倍率低（< 2 C）等問題，導(dǎo)致電池能量密度低，難以應(yīng)用于商業(yè)化。
針對上述問題，湖北大學(xué)王賢保教授課題組提出“Boxes in Fibers”策略，通過靜電紡絲技術(shù)，將碳納米盒與碳化鈦納米顆粒串入碳纖維紡絲之中，構(gòu)筑三維分層次導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)CNB-TiC@CNF/S復(fù)合正極材料用于鋰硫電池。該材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.碳納米纖維的孔隙與碳納米盒的空腔為硫的負(fù)載提供大量空間；
2.氮摻雜的碳納米纖維與碳化鈦納米顆粒促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移和離子擴(kuò)散，并提高材料整體的導(dǎo)電性；
3.化學(xué)位點(diǎn)與物理位點(diǎn)協(xié)同實(shí)現(xiàn)高效的表面反應(yīng)，并有效緩解穿梭效應(yīng)；
4.材料的互連性與多孔性保證整體結(jié)構(gòu)在充放電循環(huán)過程中的穩(wěn)定性。
研究團(tuán)隊構(gòu)筑的“boxes in fibers”三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)CNB-TiC@CNF/S做鋰硫電池的正極材料。宏觀上，碳納米纖維串著碳納米盒與碳化鈦納米顆粒構(gòu)成項鏈狀三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其互連與多孔結(jié)構(gòu)有效緩解了體積膨脹問題。
微觀上，孔隙與空腔提供了巨大的載硫空間，同時化學(xué)/物理位點(diǎn)阻止多硫化物的溶解，減輕了穿梭效應(yīng)。該電極材料在高倍率及高載硫量下均具有優(yōu)異的放電容量與循環(huán)穩(wěn)定性。它在0.1 C倍率下初始放電容量為1611 mAh g-1，接近理論比容量的1675 mAh?g-1。
在0.5 C倍率下循環(huán)100圈，容量保持在1363 mAh g-1。10 C倍率下電池初始容量為1087 mAh g-1，循環(huán)400圈容量衰減率每圈僅為0.15%。當(dāng)硫負(fù)載量達(dá)到9.2 mg cm-2時，50圈循環(huán)后容量為7.90mAh?cm-2。該項工作為鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的思路和方法。
該研究成果以“A“boxes in fibers” strategy to construct a necklace-like conductive network forthe high-rate and high-loading lithium-sulfur batteries”發(fā)表于《Journalof Materials Chemistry A》，課題組的本科生周詩遠(yuǎn)與劉佳鵬同學(xué)為共同第一作者，梅濤副教授與王賢保教授為共同通訊作者。
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https://doi.org/10.1039/D0TA04089D
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