使用碳化硼纳米线的双功能阴极基板制备的长寿命锂硫电池

lanyunyun

锂-硫(Li-S)电池具有极高的理论比容量(1675 mAhg-1)，且硫无毒，价格低廉，被广泛地认为是未来大规模储能领域应用发展的方向。然而，锂硫电池的商业化面临着许多挑战。例如，硫及其放电产物电导率低使得活性材料利用率低和动力学反应变慢。与此同时，作为氧化还原中间体形成的可溶性多硫化物容易溶解在液体电解质中并且不可逆地从阴极扩散到阳极区域，使得电池循环寿命变差。所以，优质硫正极的开发对于实现高能量密度和长循环寿命的锂硫电池具有重要意义。硫正极设计中最常用的方法之一是使用碳基材料作为捕获多硫化物的物理屏障。然而，非极性碳主体的纯物理限制不足以保证在长时间内抑制多硫化物的扩散，尤其是对高硫负载量的电池而言。通过引入了功能性极性基底作为硫宿主这一策略，通过与多硫化物形成化学键合以吸附多硫化物或者是对多硫化物起催化作用加快多硫化物转换的氧化还原动力学过程，这大大降低了多硫化物在电解液的溶解性。然而，它们中的大多数具有硫负载量低的严重缺点。因此，必须采用新的策略来探索轻质高效材料，提高Li-S电池的电化学性能和能量密度。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram教授团队通过催化辅助工艺在碳纳米纤维上原位生长碳化硼纳米线作为锂硫电池的正极基底。通过实验数据和第一性原理计算表明，B4C纳米线对多硫化物有着很强的吸附作用。同时，B4C的催化作用也加速了多硫化物转化的氧化还原动力学过程，有助于提高倍率性能。结果，使用B4C@CNF作为硫的正极基底的电池具有显著的容量保持率（500次循环后，容量保持率为80%）以及优异的倍率性能（在4C下循环稳定）。此外，B4C@ CNF基板使阴极能够同时获得高硫含量（70wt％）和硫负载量（10.3mg cm-2），面积容量为9mAh cm-2。相关研究成果以“Long-Life Lithium–Sulfur Batteries with a Bifunctional Cathode Substrate Configured with Boron Carbide Nanowires”为题发表在Advanced Materials上。