文|小风谈史

编辑|小风谈史

为了环境保护和清洁能源替代，锂离子（Li-ion）电池被广泛用于各种设备，包括电动车和可穿戴电子产品，因为其具有高能量密度、长循环寿命和低自放电的特点。

对于锂硫电池来说，充电和放电来自多电子转移反应：

放电

阳极：Li → Li e−

阴极：S8 16Li 16e− → 8Li2S

充电

阳极：Li e− → Li

阴极：8Li2S → S8 16Li 16e−

硫阴极的放电过程涉及两步相变，元素硫转化为可溶性多硫化物（Sn2−，5≤n≤8）。这些离子转化为低状态的多硫化物，如Li2S（Sn2−，2≤n≤4），它在电解液中不溶解。

电极系统可能发生塌陷和容量衰减的问题。转化过程还在电极表面产生Li2Sn沉积物，导致活性物质的不可逆损失。

这增加了电阻率并降低了容量，对电池的整体性能造成严重影响。为了解决这些问题，人们投入了大量的工作来设计具有高电导率和优异机械柔韧性的适当宿主材料和结构，例如导电聚合物、石墨烯、碳纳米管以及一些金属氧化物和硫化物。

例如，Guo等人通过水热反应和竹叶的焙烧，在SiOx/氮碳基质上制备了多孔Fe7S8纳米线。复合碳阳极表现出高容量（200 mA g−1时的1060.2 mAh g−1）和优异的倍率性能（5 A g−1下第1000个循环的415.8 mAh g−1）。

Razzaq等人以天然丝蛋白为前体，开发了一种无粘结剂的碳纳米管支撑纳米碳纤维网的硫宿主的阴极。由于碳化聚丙烯腈纤维和超导性碳纳米管连接器的协同效应，自支撑柔性薄膜阴极表现出高初放电容量1610 mAh g−1，经500个循环后仍保持在1106 mAh g−1。

所得的硫/多孔碳基复合阴极在0.5 C下显示出1330 mAh g−1的放电容量和优异的循环稳定性，经过250个循环后，每个循环只有0.14%的容量衰减。

S 2p3/2和S 2p1/2的主要状态分别在164.1和165.3电子伏特处观察到。检测到一个弱峰在169电子伏特处，这可以归因于硫在PCS-800/S制备过程中的氧化或形成氧化硫化物的反应。

选择酵母作为碳前体，并利用氯化钠作为碳化模板，可以制备多孔碳片材料。经过硫熔化后，硫均匀分布在碳纳米片上，形成复合正极材料PCS-800/S。透射电子显微镜和XPS分析显示，碳纳米片具有多孔结构和充分的硫储存容量。

这种多孔结构和均匀分布的硫颗粒有助于减缓体积膨胀和硫穿梭效应，并提高锂硫电池的循环稳定性和容量。

本研究成功开发了一种使用多孔碳纳米片的锂硫电池正极材料，即PCS-800/S。通过将酵母作为碳前体并利用氯化钠作为模板，在800°C的高温下进行碳化和硫熔融，实现了硫的均匀分布和嵌入。

透射电子显微镜和XPS分析结果证实了PCS-800/S材料具有多孔结构、高比表面积和均匀分布的硫颗粒，这为电池的储能提供了理想的条件。电化学测试结果表明，PCS-800/S材料在初始放电容量、循环稳定性和倍率性能方面都表现出了优异的性能。

由于硫的穿梭效应和活性材料的逐渐丧失，容量保持率仍然有待提高，即便如此本研究还是为锂硫电池的发展提供了新的途径，展示了一种合理设计多孔结构和均匀分布硫的方法，可以改善其电化学性能。

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