石墨化碳纳米笼：新型限硫载体用于高倍率长寿命锂硫电池

随着电动汽车和便携式电子设备的发展，人类对新型高效储能装置的需求也在不断增加。锂硫电池作为一种极具潜力的新型化学电源，具有高理论能量密度，成本低，环境友好的优势, 成为近年来高能量密度二次电池领域中的研究前沿和热点之一。然而，锂硫电池目前仍面临诸多问题，包括单质硫的低电化学活性，中间产物多硫化锂的易溶性，以及体积膨胀大等，这极大的制约了锂硫电池的发展。为解决以上问题，针对硫正极的改性多采用碳材料作为硫载体，以提高硫电极导电性、抑制多硫化锂的溶出。

传统的石墨化sp²碳材料（如石墨烯，碳纳米管等）具有优异的导电性、机械柔性，以及化学和热学稳定性，非常适合作为导电负载基底应用到各类储能电极材料中。然而研究发现，传统sp²碳材料在作为硫正极载体材料使用时，并不能够充分发挥其优势。因为此类sp²碳通常具有较低的孔隙率，在形成硫碳复合物时，硫主要依靠弱吸附力附着于碳基底表面。这不利于单质硫在导电碳基体上的分散；且在长循环过程中，多硫化锂也极易向电解液中扩散，造成活性物质损失，进而导致电池性能衰减。因而，设计构筑新型sp²碳结构，使其成为高效的载硫基体，对于研发高性能硫正极具有重要意义。

近期，中国科学院化学研究所郭玉国教授课题组开发出一种独特的石墨化碳纳米笼结构的sp²型碳材料，并将其作为硫载体，应用在高倍率长寿命锂硫电池。该碳材料具有三维夹层结构，由石墨烯作为骨架，周围包覆sp²型碳层，碳层中嵌有石墨化碳纳米笼结构单元。该石墨化碳纳米笼由几层石墨化sp²碳包围形成，内部空腔直径约为3~5 nm。采用溶液法将纳米硫负载入石墨化碳笼单元内。该结构作为活性硫的微型电化学反应器具有较大的孔体积，在高硫负载量（77wt%）情况下，不仅可以实现纳米硫的高效分散、充分发挥其电化学活性，还可以有效抑制多硫化锂的溶解穿梭，改善锂硫电池的循环性能。此外，石墨烯骨架和高度石墨化的纳米碳笼共同组建了一个高导电、结构稳定的三维sp²碳导电网络，不仅有利于电子的高速传输，同时可保证正极结构的稳定性。该硫碳复合正极0.1 C电流密度下，可发挥1375 mAh/g的比容量，并在循环200次后，容量维持在943 mAh/g；1 C电流密度下循环1000次，容量保持率高达78.4%。与此同时，该电极材料具有优异的高倍率性能，在5 C的电流密度下，容量仍可达765 mAh/g。

该石墨化碳纳米笼结构的提出，为新型硫碳复合电极材料的合理设计开拓了新思路，并为开发高循环性能、高倍率性能锂硫电池以及其它高效储能器件开辟了新的途径。相关工作发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201602913)上。