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鮑哲南/崔屹最新AEM: 大佬“花”式科研！Ni修飾碳花/硫正極用于貧電解液鋰硫電池

鋰硫 (Li-S) 電池通過一系列可溶性多硫化鋰中間體 (LiPSs) 在硫和硫化鋰 (Li₂S) 之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn) 1675 mAh g^-1的高理論比容量。然而，該工藝極化較大，硫利用率低，容易產(chǎn)生臨界容量衰減。

迄今為止，解決這個(gè)問題的主要方法是將硫滲透到納米碳中。但大多數(shù)使用多孔碳作為主體材料的研究都使用高電解液/硫比 (E/S)（通常> 15 μL mg^-1）進(jìn)行測試，這會損害電池級的能量密度。

在此，美國斯坦福大學(xué)鮑哲南教授、崔屹教授等人報(bào)道設(shè)計(jì)了一種可以解決上述問題的帶有鎳納米顆粒的花狀多孔碳結(jié)構(gòu)。這種3D碳花 (CF) 狀結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)較短的離子傳輸長度，它具有優(yōu)異的高比表面積（>3300 m² g^-1），孔徑小于5 nm。

與傳統(tǒng)碳結(jié)構(gòu)相比，碳花的暴露花瓣結(jié)構(gòu)和嵌入納米花瓣可以提供更快的擴(kuò)散途徑。此外，隨著在CF結(jié)構(gòu)上加入Ni納米顆粒，作者觀察到與LiPS的更強(qiáng)化學(xué)相互作用以及更好的反應(yīng)動力學(xué)。所有這些優(yōu)點(diǎn)表明CF是S的理想宿主。

圖1. 碳花及碳片的表征

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)顯示，Ni-CF/S電極在C/10（含硫量為64%）下循環(huán)50次后仍可保持其原始容量的87%。此外，在高質(zhì)量負(fù)載（5 mg cm^-2）和低E/S比（5 μL mg^-1）條件下，電極經(jīng)150次循環(huán)后容量仍保留70%。

這種使用CF作為主體材料并添加鎳納米粒子以改善動力學(xué)反應(yīng)和穩(wěn)定性的簡單有效策略是在長循環(huán)中獲得高實(shí)用功率和能量密度的關(guān)鍵，促進(jìn)了Li-S電池的實(shí)際應(yīng)用。

圖2. CF/S和Ni-CF/S電極的電化學(xué)性能

A Nickel-Decorated Carbon Flower/Sulfur Cathode for Lean-Electrolyte Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Energy Materials 2021. DOI:10.1002/aenm.202101449

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