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树叶状氧化石墨烯/硫复合电极在锂-硫电池中的应用

这种树叶状氧化石墨烯中,在每一片氧化石墨烯上具有一根碳纳米管中脉,这根碳纳米管中脉可以提高氧化石墨烯的电子导电性。同时,树叶状氧化石墨烯表面的含氧基团,能有有效固定硫及多硫化合物。

锂-硫电池因其高达2600Wh kg-1的理论比能量以及硫储量丰富且低毒等优点,有望应用于下一代车用动力电池,并因此受到广泛关注。锂-硫电池的充放电过程主要是基于放电时正极硫得到电子,经过多步骤还原,最终得到产物Li2S。充电时则发生逆向反应。其放电中间产物过硫化锂(Li2Sx, 4≤x≤8)易溶于有机电解液,一旦这些过硫化锂溶解于电解液中并扩散出正极区域,到达负极就很难被再次利用,导致活性物质损失(即穿梭效应)。这是限制锂-硫电池实际应用的主要挑战之一。除此之外,硫及其放电产物的导电性差和在放电过程中硫存在很大的体积膨胀也限制了锂-硫电池的循环性能和倍率性能。

氧化石墨烯(GO)表面具有丰富的含氧基团,这些基团被证明是可以和硫形成碳硫键从而可以将硫固定在其表面,因此近年来氧化石墨烯/硫复合电极材料被广泛用于提升锂-硫电池的循环寿命。但是,其表面的含氧基团同时也导致石墨烯具有极低的电子导电性,并接近绝缘体。这在很大程度上增大了电极内阻,限制了电池的功率密度。目前所报道的关于氧化石墨烯/硫复合电极的优异性能往往是基于复合物中较低的硫含量或电极上较低的硫担载量。另一方面,虽然经过热处理或者化学还原的方法可以将氧化石墨烯还原为高导电性的还原氧化石墨烯(RGO)或者石墨烯(G),但氧化石墨烯上能固定硫的含氧基团也随之被移除。因此,石墨烯(RGO 或 G)/硫复合电极的循环性能都不太很理想。

树叶状氧化石墨烯/硫复合电极在锂-硫电池中的应用

基于上述问题,复旦大学王永刚和夏永姚课题组开发出了一种树叶状的高导电性的树叶状氧化石墨烯,并将其和硫复合后作为锂-硫电池的正极材料。这种树叶状氧化石墨烯中,在每一片氧化石墨烯上具有一根碳纳米管中脉,这根碳纳米管中脉可以提高氧化石墨烯的电子导电性。同时,树叶状氧化石墨烯表面的含氧基团,能有有效固定硫及多硫化合物。粉末电导率的测试结果表明树叶状氧化石墨烯的电导率远高于常规的氧化石墨烯。关于树叶状石墨烯/硫复合材料的XPS分析结果证明了碳硫键的存在,近一步说明了其表面基团对硫的固定作用。因此,在硫含量为60%时,树叶状石墨烯/硫复合电极表现出1000圈的长循环寿命和高达4C (1C=1670mAh g-1)的高倍率。而当硫含量增加到75wt%时,超过1000圈的循环寿命仍可以取得。即使当硫含量增加到85 wt%以及电极上总的硫担载量增加到2.7mg cm-2时,树叶状氧化石墨烯/硫复合电极仍可以循环600周。

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