南京理工大学夏晖教授&苏州大学晏成林教授：分级多孔碳纤维负载硫用于室温钠硫电池

【研究背景】

室温钠硫电池（RT Na-S）因其成本低、钠和硫的自然储存量丰富以及硫正极的高比容量等优势近年来受到广泛关注。然而，可溶性多硫化钠（Na2Sn，4≤n≤8）所造成的“穿梭效应”问题导致了RT Na-S电池的容量衰减快、库伦效率低以及严重的自放电等问题，从而在很大程度上限制了RT Na-S电池的应用和发展。近年来，已有很多报道采用硫/碳复合电极作为RT Na-S电池的正极以期解决多硫化钠的溶解问题和硫电极导电性差的问题，并且在“穿梭效应”问题的解决上取得了突出的进展。但是由于传统的硫电极的反应动力学较差的问题极大地限制了RT Na-S电池正极硫载量和电池整体的面积比容量的提升。

【成果简介】

为了解决这些问题，近日，南京理工大学夏晖教授和苏州大学晏成林教授等通过对一种由多孔碳纤维编织而成的多孔碳布进行活化造孔（APCF），用其作为硫电极的载体。该APCF既可以作为固硫的3D碳骨架以促进硫与电解液的充分接触，又可以作为集流体以制备自支撑硫/碳电极。在灌注38wt.%的硫进入多孔碳纤维后，由于APCF具有特殊的超微孔碳结构，可以将小硫分子（S2-4）限制在超微孔中。通过对APCF-38S电极的恒电流充放电测试，研究发现在充放电过程中该电极表现出单一的充放电平台。通过原位紫外/可见光谱对其机理进行了研究，结果表明在整个放电过程中，Na2S是唯一的产物。此外，由于APCF特殊的分级多孔结构可以在不牺牲电极整体容量的前提下提高电极内部的硫含量。最终，含硫量为38 wt.%的APCF-38S电极在0.1 C（1 C=1675 mA g-1）电流密度下具有1412 mAh g-1和10.6 mAh cm-2的高初始可逆放电比容量（平均面积硫负载：7.5 mg cm-2），显示出在提高了电极内硫载量的情况下极高的硫利用率。为提高RT Na-S电池的面积比容量提供了新的策 略。

相关论文信息

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论文标题：

A novel one‐step reaction sodium‐sulfur battery with high areal sulfur loading on hierarchical porous carbon fiber

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.86

DOI:https://doi.org/10.1002/cey2.86

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