南京大学金钟教授、刘杰教授课题组在高容量、柔性可弯折锂硫电池方面取得新进展
当前，随着大量柔性电子设备的不断涌现，开发新型的、具有较好柔韧性的能源存储与转换器件显得尤为迫切。锂硫电池是一种高理论容量、高能量密度的新型能源存储技术。近年来，柔性锂硫电池的研究与发展逐渐引起了科研工作者的广泛关注。但是，柔性锂硫电池也会受到一些关键问题的限制，例如，硫导电性低、多硫化锂中间体的穿梭效应及弯折过程中硫载体材料的结构破坏与导电性严重降低等等。
最近，南京大学化学化工学院金钟教授、刘杰教授课题组通过电纺丝结合溶剂热过程的方法成功合成了碳纳米管增强的“吸管状”碳包覆CoS同轴微管纳米结构（CNTs/CoS-NSs）（图1）。当其用于锂硫电池方面时，表现出优异的电化学性能。课题组也通过实验与理论分析发现，碳纳米管与外层碳层的存在能够显著的增强产物的结构完整性和稳定性、提高硫正极材料的电子导电性；管状纤维的强毛细作用可以有效的保持锂硫电池电解液，增加电解液与活性物质的接触面积（图2）；CoS的强化学吸附作用及电催化效应能够降低多硫化锂中间体的穿梭效应。该工作最近以“Strong Capillarity, Chemisorption, and Electrocatalytic Capability of Crisscrossed Nanostraws Enabled Flexible, High-Rate, and Long-Cycling Lithium–Sulfur Batteries”为题发表在ACS Nano上，15级博士研究生马连波为该论文的第一作者，金钟教授为通讯作者。
图1. （a）CNTs/CoS-NSs的合成示意图；（b-d）CNTs/PAN的电子照片，SEM，TEM图像；（e-i）CNTs/CoS-NSs的电子照片，SEM，TEM图像；（j）S@CNTs/CoS-NSs的元素mapping。
图2. （a）理论模拟CoS与多硫化锂的吸附作用；（b）CNTs/CoS-NSs与对照样品对LiS4溶液的吸附性测试；（c）电极片中模拟CNTs/CoS-NSs的分布情况；（d）CNTs/CoS-NSs与锂硫电解液的接触角测试；（e）CNTs/CoS-NSs中电解液的毛细作用示意图。
S@CNTs/CoS-NSs复合材料作为锂硫电池正极时表现出了优异的电化学性能（图3），在0.2 C的电流密度下，100次循环后容量高达1154 mAh g-1。在0.5, 1.0, 2.0, 5.0 C的电流密度下容量分别为1045, 907, 770和573 mAh/g；在1.0和2.0 C的电流密度下循环1000圈之后，硫正极的容量分别保持在675 和572 mAh g-1，库仑效率均接近100％。
图3. S@CNTs/CoS-NSs电极在0.2 mV s-1扫速下的CV曲线；（b）S@CNTs/CoS-NSs电极在不同电流密度下的充放电曲线； S@CNTs/CoS-NSs与对照电极的（c）倍率性能和（d）0.2 C下的循环稳定性；（e）S@CNTs/CoS-NSs电极在1.0和2.0 C下的长循环稳定性与库伦效率。
随后，课题组利用S@CNTs/CoS-NSs复合材料具有的较高导电性和柔韧性的特点，将其作为锂硫软包电池的硫正极，负极为锂带。电化学测试后发现（图4），在弯折-复原的不间断操作下，锂硫软包电池在0.1 C时的初始容量达到1330 mAh g-1，对应的面积容量为5.05 mAh cm-2。继续循环200圈后，锂硫软包电池的容量依然高达1060 mAh g-1 (4.03 mAh cm-2)。该电化学性能测试结果表明锂硫软包电池具有较好的电化学稳定性。
图4.（a）锂硫软包电池的结构示意图；（b）锂硫软包电池在弯折条件下在1st，100th和200th下的充放电曲线；（c）锂硫软包电池在0.1 C下的循环稳定性。插图为锂硫软包电池在弯折和非弯折状态下点亮“NJU”标志LED灯的照片。
通过对样品进行表征分析，课题组认为锂硫电池的良好的电化学性能主要来源于以下几个方面：（1）管状空心结构可以负载较多的硫活性成分，并且能显著的缓解硫在电化学过程中的体积膨胀；（2）CoS和碳纳米管的高导电性可以提高硫正极的电子导电性并且增加活性硫组分的利用率；（3）CoS具有较高的化学吸附作用，能够与多硫化锂中间体结合，抑制其溶解与穿梭效应的发生；（4）CoS对多硫化锂的转换具有很高的电催化效应，催化多硫化锂的快速转化；（5）管状材料的强毛细作用力能够有效的保持电解液，使得电解液与活性组分充分的接触。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省青年基金和中央高校基本科研业务费等资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facsnano.8b01763
来源：南京大学
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