鋰硫電池具有理論能量密度高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，其理論比容量和能量密度分別為1675mA h g-1和2600 mA h g-1，遠(yuǎn)勝于現(xiàn)有鋰離子電池，在新能源動(dòng)力電池等新興技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，其正極活性物質(zhì)導(dǎo)電率低；充放電過(guò)程中生成的多硫化物易溶于電解質(zhì)溶液而造成“穿梭效應(yīng)”；嵌脫鋰過(guò)程中所發(fā)生的體積膨脹-收縮等現(xiàn)象導(dǎo)致其出現(xiàn)活性硫物質(zhì)利用率低、循環(huán)壽命短等問(wèn)題，從而限制了現(xiàn)有鋰硫電池技術(shù)及應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。
近幾年，研究人員嘗試設(shè)計(jì)各式新穎納米結(jié)構(gòu)的硫正極材料以改進(jìn)其電池性能，其中，石墨烯由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，具有比表面積高、導(dǎo)電性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，極具潛力，可作為導(dǎo)電基質(zhì)應(yīng)用于鋰硫電池體系。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所國(guó)際實(shí)驗(yàn)室張躍鋼團(tuán)隊(duì)近期提出一種簡(jiǎn)易、低成本、可調(diào)控的方法，制備出高倍率、超長(zhǎng)循環(huán)壽命的正極復(fù)合材料。該材料將S納米顆粒包裹于氮摻雜石墨烯片層中（S@NG），僅與PVDF粘結(jié)劑混合，不添加任何碳黑材料，其組裝的電池在高放電速率的條件下呈現(xiàn)出極高的比容量，比如：0.2C時(shí)為1167 mA h g-1；0.5C時(shí)為1058 mA h g-1；1C時(shí)為971 mA h g-1；2C時(shí)為802 mA h g-1；5C時(shí)為606 mA h g-1。此外，該電池可達(dá)到2000次的超長(zhǎng)循環(huán)壽命，單次循環(huán)的容量衰減率僅為0.028%。相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在Nano Letters 雜志上（DOI: 10.1021/nl5020475）。
該電池正極的含硫量可高達(dá)60%，在循環(huán)過(guò)程中具備優(yōu)異的庫(kù)侖效率（約為97%），即便是經(jīng)過(guò)2000次循環(huán)以后，其所呈現(xiàn)的比容量仍可比擬現(xiàn)今最好的鋰離子電池。經(jīng)過(guò)X射線吸收光譜與第一性原理模擬分析，該材料優(yōu)異的性能歸功于氮摻雜石墨烯片層中N功能基團(tuán)對(duì)多硫化鋰優(yōu)異的吸附性，該研究結(jié)果也證實(shí)基于S@NG復(fù)合材料的鋰硫電池具備巨大的潛力可替代現(xiàn)有鋰離子電池應(yīng)用于便攜式電子、新型動(dòng)力能源等儲(chǔ)能領(lǐng)域。
以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金的大力支持。
