多孔碳集流体和水系粘结剂助力高载量锂硫电池构建

【研究背景】

锂硫电池具有超高的理论容量，一直以来被认为是理想的下一代电池体系。设计和开发高性能锂硫电池的电极是非常有价值和必要的。锂硫电池主要面对着三大问题：低电子电导，多硫化物的穿梭效应和充放电过程中的体积膨胀。此外，随着硫负载量提高，电极的循环稳定性和寿命均受到严重制约。传统的材料或者电解液改性方法无法完全解决上述问题。因此，人们将目光集中到电池其他组件例如粘结剂和集流体的改性，以期进一步提升锂硫电池的电化学性能。

目前，锂硫电池硫正极部分普遍采用二维电极结构。Al箔集流体与正极活性物质之间是有限的二维界面接触，这导致接触电阻较大从而限制电池的循环性能和倍率性能。此外，正极材料的体积膨胀也使得其更容易从集流体上脱落，很难满足高载量硫正极的需求。通过合理设计锂硫电池电极结构和组分，有效的在微观上确保活性材料的均匀分布，一定程度上缓解硫的体积膨胀，提供充足的锂离子/电子传输通道，就有可能在提高硫负载量的同时增强锂硫电池的电化学性能。

【论文内容】

近日，哈尔滨工程大学的曹殿学教授、叶克教授、朱凯副教授和印度理工大学Kumar教授在Carbon Energy上发表了题为“Design and Construction of a Three-dimensional Electrode with Biomass-Derived Carbon Current Collector and Water-Soluble Binder for High-Sulfur-Loading Lithium Sulfur Batteries”的文章，该文章第一作者为博士生王鹏飞。该工作使用生物质衍生碳集流体和水系粘结剂获得了具有优异电化学性能的高载量硫正极。这种具有三维结构的硫正极在28 mg/cm2硫负载量时，可以达到18 mAh/cm2的面积比容量，90次循环后容量几乎保持不变。相比于Al箔集流体，该集流体的多孔结构可以有效增加活性物质与集流体之间的接触面积，提供快速的电子传输通道，同时缓解电化学过程中硫的体积膨胀。此外，水系粘结剂不仅有利于活性物质的均匀分布，还对循环过程中对多硫化物有限制和捕捉能力。本文强调了三维电极结构对高硫载量的锂硫电池的电化学性能的关键作用。锂硫电池整体性能的提升不仅依赖于电极材料的发展，也要求其他电池组件如粘结剂和集流体等的共同作用。

图1.（a）锂硫电池制备示意图。（b）28 mg/cm2负载量的C-hemp/CMC/S电极的充放电曲线。（c）不同结构硫电极的浸润实验。

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论文标题：

Design and construction of a three‐dimensional electrode with biomass‐derived carbon current collector and water‐soluble binder for high‐sulfur‐loading lithium‐sulfur batteries

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.49

DOI:https://doi.org/10.1002/cey2.49

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