西南民族大学化学与环境学院Xinxiu Yan等–用于Li-S电池的碳纤维增强石墨烯 CNT基复合材料的微纳米结构构建

锂-硫(Li-S)电池由于结构不稳定和过度穿梭效应而难以实现高含硫量电池的循环稳定性。在这里，我们设计和制造了一种基于碳纤维(CFs)支撑石墨烯/碳纳米管(GC)基复合材料的“钢筋混凝土”结构，然后通过浆液铸造工艺生产最终的CFs-S/GC阴极，硫负载为4.5- 5.5 mg cm^-2。微/纳米杂化材料的三维结构增强了结构强度，构建了一个互联的导电网络，用于高效的电解质渗透和快速的电/离子传输。此外，通过化学气相沉积法在CFs表面生长碳纳米纤维(CNFs)，形成CFs@CNFs。CFs@CNFs-S/GC阴极使电化学活性位点上的多硫化物有效边界得以实现，从而大大提高电池的循环性能。本文的研究策略为在高能密度Li-S电池的纳米碳材料中构建CFs或改性CFs骨架提供了一种可行的方法。

图1. S/GC、CFs-S/GC和CFs@CNFs-S/GC阴极示意图。

图2. (a, b, c) GC2复合材料和(d, e, f) GC8复合材料的SEM图像和N₂吸附/脱附等温线。(g) 电流速率为0.2C时的循环性能，和(h)电流速率为0.1C，含硫3mg cm^-2时，S/GC2阴极和S/GC8阴极的首次放电/充电曲线。

图3. (a) S/GC2和(b) CFs-S/GC2阴极在5.5 mg cm^-2硫负载下的SEM图像。(c) S/GC2和CFs-S/GC2阴极在电流速率为0.2C时的循环性能，以及对应的(d) 电流速率为0.1C时的首次充/放电循环曲线和(e) 电流速率为0.2C时的第100次循环曲线。(f) CFs-S/GC2阴极和(g) S/GC2阴极在0.1 mV S ^-1速度时的CV曲线比较。

图4. 循环100次后，得到(a, b) S/GC2和(e, f) CFs-S/GC2阴极俯视图的SEM图像。(c, d) S/GC2阴极和(g, h) CFs-S/GC2阴极对应S元素映射的截面图。

图5. (a) CFs-S/GC2和(b) S/GC2阴极在速率分别为0.05、0.10、0.15和0.20 mV S^–l时的CV曲线。以及(c) CFs-S/GC2和(d) S/GC2阴极的扫描速率v^l/2的平方根与峰值电流I_p之间的对应关系。(e, f) CFs-S/GC2和S/GC2阴极在0.1C、0.2C、0.5C和1C时的倍率性能，以及每个循环的放电/充电曲线。

图6. (a) CFs@CNFs增长过程示意图。(b, c) CFs@CNFs复合材料的SEM图，CNFs的TEM图和(f) CFs@CNFs-S/GC2阴极的SEM图。(d) CFs-S/GC2和CFs@CNFs-S/GC2阴极在0.2C时的循环性能。

相关研究成果由西南民族大学化学与环境学院Xinxiu Yan等人于2022年发表在Diamond & Related Materials (https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.108888)上。原文：Micro/nano-structure construct of carbon fibers reinforced graphene/CNT matrix composites for Li-S batteries。