余桂华团队最新Nature Commun.: 富电子碳骨架的高面硫负载可扩展高性能锂硫电池

【研究背景】

为了满足日益增长的交通运输和储能电网的需求，需要不断提高锂离子电池的储锂能力。这就需要开发高质量容量的电极材料，同时实现它们较高面容量。硫具有1675 mAh g⁻¹ 的质量理论容量和2567 Wh kg⁻¹能量密度，同时兼具价格较低和来源广泛的优点，因此被认为是较为理想的高性能电极材料。但是，要实现它高的面载量还面临一系列挑战。首先，传统的的高面载电极是通过在集流体上铸浆来制备的，但是由于在干燥过程中浆料存在的较大的收缩，会使电极材料出现断裂和分层，导致其机械稳定差，以及活性材料和集电体的开裂。其次，电极厚度增加导致电荷（离子和电子）转移动力学变差，离子/电子传输距离成比例增加。更糟的是，粘结剂是一种电绝缘成分，能够阻挡电子的扩散路径，降低电极的导电性，对于厚的电极而言尤其严重。因此，需要开发新的方法制备厚的电极材料，以克服传统制备方法的不足。

【工作介绍】

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授与澳大利亚伍伦贡大学的柏中朝和窦世学教授等人利用冰模板法和催化尖端生长法制备了长有碳纳米管“森林”的木头状碳材料作为锂硫电池中硫的骨架材料。该材料具有高导电性和强壮的木头结构特征，因此它可以作为高载硫量硫的宿主（S@WLC-CNTs），而不需要集流体、导电添加剂和粘结剂。这种独特的S@WLC-CNTs电极材料具有低曲率的微通道，可以减少电荷(离子和电子)扩散路径，允许电解液在电极内部自由穿梭，并能缓解硫的体积变化。此外，碳纳米管“森林”通过非极性-极性相互作用和富电子特性，可以有效地捕获可溶性多硫化物，催化其在电极内部的氧化还原动力学。最重要的是，它是一个厚度无关的电极，因此硫的面负载量可以很容易地通过增加厚度来放大而不牺牲其电化学性能。当S@WLC-CNTs的厚度增加到1200 µm，硫的面负载量为52.4 mg cm^-2，经过100圈循环，其容量仍可保持在692 mAh g^-1。而且，WLC-CNTs还可以作为锂负极的主体材料（Li/WLC-CNTs）以抑制锂枝晶生长，表现出相当小的过电位和高的库仑效率。Li/WLC-CNTs和S@WLC-CNTs组装的Li−S全电池具有长循环稳定性，和极低的循环容量衰减率（0.057%）。该文章发表在国际顶级期刊Nature Commun.上。王娜娜为本文第一作者。

【内容表述】

图1 S@WLC-CNTs电极的设计原理和电镜表征

图2 S@WLC-CNTs电极的电化学性能和动力学分析

多孔电极中的电化学过程包括电解质体积电阻（R_sol），孔隙中的离子电阻（R_ion），电极/电解质界面的电双层（Cdl），以及电荷转移电阻（R_ct）。所有这些都可以用传输线模型理论来解释（图2e）。图2f显示了不同厚度的S@WLC-CNTs电极在0%电荷状态（SOC）下的Nyquist图，它没有显示出法拉第过程，而是由一个不规则的半圆、一条与实轴斜率为45°的直线和一条垂直线组成。它们的放大曲线如图2g-i所示，随着厚度的增加，电解质体积电阻R_sol和电解质与电极界面的离子/电子电阻（R_high）几乎相同。对于厚度为400、800和1200 μm的电极，计算出的R_ion分别为21、25和30 Ω cm²，表明增加电极厚度对快速离子传输没有影响。为了研究它们的R_ct，在SOC为50%时，对不同厚度的S@WLC-CNTs电极进行了EIS-SC。如图2j、k所示，R_ct与电极厚度成反比，400 μm为120 Ω cm²，800 μm为85 Ω cm²，而1200 μm为52 Ω cm²。从电极的角度来看，增加电极的厚度相当于改变反应表面积和孔隙长度。因此，每单位电活性表面积的电荷转移电阻（R_ct,A）可以用来公平地比较不同厚度电极的电阻。它表示为R_ct,A=2πrLR_ct 其中r是电极的半径，L是厚度。根据我们的EIS-SC结果，R_ct与电极厚度成反比，因此，不同厚度S@WLC-CNTs电极的R_ct,A的值几乎相同。在这个体系中，随着电极厚度的变化，R_ion和R_ct,A几乎没有变化，这充分说明了它们的电化学性能与厚度无关。

Nana Wang, Xiao Zhang, Zhengyu Ju, Xingwen Yu, Yunxiao Wang, Yi Du, Zhongchao Bai, Shixue Dou & Guihua Yu, Thickness-independent scalable high-performance Li-S batteries with high areal sulfur loading via electron-enriched carbon framework, Nature Communications 2021, https://doi.org/10.1038/s41467-021-24873-4