锂硫电池作为众多化学储能系统中最有前景的新兴二次电池体系之一,具有高理论比容量(1675 mAh g-1)和高理论能量密度(2600 Wh kg-1),并且在可穿戴和便携式电子产品中具有广阔的应用前景。然而,严重的穿梭效应、低的硫电导率、不可控的锂枝晶生长和较差的电极柔韧性等问题,进一步限制了柔性锂硫电池的实际应用。目前,研究者们通常致力于解决硫正极一侧的穿梭效应和反应动力不足等问题或者锂负极一侧枝晶生长的问题,很少有报道采用通用电极设计策略来同时改善硫正极和锂负极的电化学性能。本研究设计了一种通用型柔性电极,既可用于硫正极也可用于锂负极,并展示了其作为可穿戴和便携式存储电子设备的应用。 【成果简介】近日,河北工业大学张永光副教授、刘桂华博士和梁春永教授(共同通讯作者)开发了一种既可用于硫正极也可用于锂金属负极的通用型柔性电极,该电极是由三维多孔碳纤维导电支架嵌入超细双金属CoNi颗粒和二元金属掺杂Co/Ni-N活性位点组成(CoNi@PNCFs)。实验结果和DFT模拟计算均表明:作为硫正极载体时,双金属CoNi纳米颗粒和分散的Co/Ni双活性位点具有强烈的化学吸附作用,而且极大促进了催化多硫化物的动力学转化过程。作为锂负极载体时,亲锂性的多孔碳纤维和多个活性中心构成三维导电骨架结构,可诱导均匀的Li形核/生长,实现了无枝晶的Li金属负极。因此,由S/CoNi@PNCFs正极和Li/CoNi@PNCFs负极组装而成的锂硫全电池可实现在 5 C 倍率下的高初始可逆比容量(785 mAh g-1)和卓越的高倍率长循环性能(循环超过1500次,每循环容量衰减率为 0.016%)。 在实际应用方面,所制备的柔性锂硫软包电池展现出优异的循环性能,在折叠、卷曲等条件下可为可穿戴的电子手表供电,表明该通用型电极在高能量密度柔性储能设备中具有巨大潜力。相关研究成果以“All-purpose Electrode Design of Flexible Conductive Scaffold towards High-permanence Li-S Batteries”为题发表在“Advanced Functional Materials”上,并收录为封面(Inside back cover),该论文的第一作者为河北工业大学博士研究生贺禹森和李明君博士。 【图文导读】