近年来，硫（S）正极材料由于自身超高的理论放电容量（1675mAh/g）受到了广泛关注。同时，便携式、可穿戴式智能电子系统和器件的日益发展，对现今成熟的商业化电池提出了更高的要求，柔性、形状适应性良好的电极材料越来越受到研究人员关注。近期，大网投平台信誉排行榜郭航教授课题组2015级博士研究生褚瑞霞深入研究，通过静电纺丝、电化学沉积及后续煅烧过程制备得到一种还原氧化石墨烯包覆多孔碳-硫复合物纳米纤维纸（rGO@S-PCNP）可直接作为锂硫电池的正极材料，并表现出优异的循环稳定性和倍率特性。该研究成果发表在Nanoscale国际高水平期刊上。（DOI: 10.1039/c7nr02423a）
锂硫（Li-S）电池虽表现出极高的理论放电比容量，但由于硫本身和硫锂化后形成的硫化物绝缘的特性以及充放电过程中穿梭效应的影响，锂硫电池的倍率特性和循环稳定性受到很大程度的限制。课题组首先通过静电纺丝和高温煅烧过程制作多孔碳纤维骨架，充硫后，通过电化学沉积法在柔性的多孔碳纤维纸表层包覆多层还原石墨烯（rGO）结构，从根源上大大缓解穿梭效应（如图1 a所示）。由于rGO的包覆作用，rGO@S-PCNP的导电特性得以提高，多硫化物的穿梭效应得到抑制，表现为充放电曲线平台稳定，多次循环后曲线重复性高（如图1 b所示）。在0.1 C的放电倍率下，首次放电容量为801.9 mAh/g。经过前期活化后，放电容量可达到最大值708.8 mAh/g，并在随后的循环过程中保持平均库伦效率为97.1 %，且每圈的容量损失仅为0.08 %的优异的循环稳定性和高库伦效率。同时，当放电倍率增大到1 C时，rGO@S-PCNP表现出与0.1 C时相同的循环特性和高库伦效率，展现出优异的倍率特性（如图1 c所示）。可以预见，不仅对于常规电池，而且对于微型电池，rGO@S-PCNP柔性自支撑电极材料都将会成为很有发展潜力的锂硫电池正极材料。
课题组2015级硕士研究生郑健在石墨烯基锂离子电池负极材料的研究取得最新进展，采用溶剂热法，以石墨烯为形貌调控剂，制备附着在泡沫镍上的纳米结构的氧化锌作为锂离子电池负极材料的论文发表在国际期刊Journal of Applied Electrochemistry上。（DOI：10.1007/s10800-017-1094-x）
过渡金属氧化物作为锂离子电池负极已经成为满足要求的高性能锂电池技术的研究热点之一。在所有的过渡金属氧化物中，氧化锌由于其具备较高的理论比容量（978 mAh/g）、成本低、储量丰富、易于制备等特性可能是最有前途的选择之一。然而，氧化锌材料本身低的电子导电性和慢的锂离子扩散速率同样降低了材料的循环性能和倍率性能。此外，锂-锌合金的形成带来了体积的显著变化，从而导致活性材料的粉碎和电子隔离，电池容量急剧衰减和差的循环性能。为了解决上述的问题，目前已经制备出零维氧化锌材料，以纳米线为代表的一维氧化锌材料，以纳米片为代表的二维氧化锌材料，以及氧化锌与碳、金属单质（镍、镁等）、金属氧化物氧化钛等的纳米复合材料，与块状氧化锌相比，电化学性能都有所提高。有研究表明，石墨烯和氧化石墨烯在金属或金属氧化物纳米晶体的形成过程中起着重要的作用。近年来，使用三维多孔导电物作为活性材料生长的基底来制备无粘结剂的电极的方法正在得到人们的关注。而泡沫镍就通常被选作锂二次电池和电容器的电流收集器，所以在泡沫镍上生长的活性物质可以直接作为无粘结剂的电极使用。这种方法不仅能够避免了粘合剂和导电性添加剂的使用，也为电极与电解液提供了更大的接触面积。课题组以石墨烯作为形貌调控剂，采用溶剂热法，在泡沫镍基地上制备氧化锌纳米颗粒，并将其作为无粘结剂的电极进行电化学性能的研究（如图2所示）。结果表明，氧化锌纳米颗粒均匀的分布在泡沫镍表面，同时颗粒之间有一点的间隙，这很好的抑制了氧化锌在充放电过程中体积膨胀严重的问题。电化学性能测试显示出得到的负极材料在600 mA/g的电流密度下循环1400圈仍然能够保持561.9 mAh/g的比容量。目前，实验室的最新测试，其循环性能超过了2000次，显示出了非常优良的性能。为此，课题组正从材料机理与实际制备及应用上进行更为深入的探讨。
图1还原氧化石墨烯包覆多孔碳-硫复合物纳米纤维纸（rGO@S-PCNP）制备过程及直接作为锂硫电池的正极材料表现出的优异循环稳定性和倍率特性
图2 以石墨烯为形貌调控剂制备的附着在泡沫镍上的纳米结构氧化锌作为锂离子电池负极
发布：2017年09月21日 19:29
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