锂硫电池是以硫元素作为电池正极、金属锂作为负极的一种锂电池。锂硫电池由于硫正极的高理论比容量（1675 mAh g−1）而获得了广泛的关注，是一种非常有前景的锂电池。然而，在锂硫电池的实际研发中，多硫化锂的穿梭效应是实现锂硫电池实际应用的一个严峻的挑战。在充放电过程中形成的可溶性多硫化锂会在正极和负极之间穿梭，直接与金属锂负极发生反应。最终，穿梭效应导致活性物质的不可逆损失和容量的快速衰减以及快速自放电、低库仑效率和循环稳定性。此外，低的硫负载量是实现锂硫电池实际应用的另一个挑战。在已公开的报道中，硫的面积负载量大多低于2 mg cm−2，这将极大地限制锂硫电池的体积能量密度。在实际应用中，至少需要4 mg cm−2或更高的活性物质负载量。而在高的硫正极负载下，受限于厚电极较差的电荷转移和物质传递动力学，锂硫电池很难发挥出良好的电化学性能。此外，由于在充放电过程中，硫正极会发生了巨大的体积变化，高负载的硫正极很难保持结构的完整性。
为解决上述问题，我校物质学院刘巍课题组通过使用包覆NiCo2O4纳米线阵列的碳布作为基底，成功制备了一种柔性且高负载量的锂硫电池。极性的NiCo2O4可以有效地吸附多硫化锂并催化其转化过程，可以实现抑制穿梭效应的同时促进其转化反应动力学。微观上一维的NiCo2O4纳米结构可作为良好的电子/离子传输路径，同时提供更多的化学反应活性位点。宏观上由碳纤维所构成的三维网络骨架可以有效释放硫电极在循环过程中的体积变化。最终，通过层层堆叠策略，锂硫电池实现了8.9 mAh cm-2的高面积比容量。此研究在解决穿梭效应以及实现高负载量柔性锂硫电池方面提供了一种有效的解决方案。该成果以题为“Electrocatalytic NiCo2O4 Nanofiber Arrays on Carbon Cloth for Flexible and High-Loading Lithium-Sulfur Batteries”发表在国际知名学术期刊Nano Letters上。
图 | 复合硫正极的合成及其作用机理示意图
刘巍课题组2020级博士研究生陈邵杰和2017级本科生张婧萱为该论文的共用第一作者，刘巍教授为通讯作者，上科大为唯一完成单位。以上研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上科大物质学院电镜中心CℏEM的大力支持。
论文链接
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.1c01422#
编 辑 陈邵杰
编 辑 陈 蕾 高 瑄