萨本栋电磁研究院计算机专业,我校萨本栋微米纳米科学技术研究院硕士研究生以第一作者在Nature Communications上发表高水平研究成果...

近日，我校萨本栋微米纳米科学技术研究院方晓亮副教授课题组和化学化工学院郑南峰教授研究团队开发了一种用于构建高能量密度锂硫(Li-S)电池的新型自支撑正极。该研究成果以“Self-supporting sulfur cathodes enabled by two-dimensional carbon yolk-shell nanosheets for high-energy-density lithium-sulfur batteries”为题发表于2017年9月7日的《自然•通讯》Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-017-00575-8)上。

具有高理论能量密度、低成本和环境友好等优点的锂硫(Li-S)电池被视为极具开发潜力的下一代二次电池系统。近年来，利用客体材料对硫进行负载以提正极的硫利用率和循环寿命推动了Li-S电池研究的迅速发展。目前所报道的Li-S电池的能量密度还远不能满足实际应用需求。研究者们致力于设计高硫负载正极以提升Li-S电池的能量密度。然而，高硫负载正极的开发面临着两大瓶颈问题：(1)倍率和循环稳定性差，(2)高面积容量和低体积容量难以兼顾。

受老式相册的紧密堆积结构启发，该研究将石墨烯包裹于中空多孔碳纳米片的内部腔体中形成一种具有“蛋黄-壳”结构的新型二维碳纳米材料(G@HMCN)。由于具有高比表面积和孔容、丰富的N原子掺杂和良好的分散性，G@HMCN能够制备载硫量高达80.5 wt%的碳硫复合物(G@HMCN/S)。通过简单的真空抽滤法，G@HMCN/S和商品化的石墨烯可以组装形成具有紧密堆积的自支撑正极(G@HMCN/S-G)。在载硫量高达73 wt%和面积载硫量为5~10 mg cm-2的条件下，G@HMCN/S-G拥有高倍率性能(5C倍率下容量524 mAh g-1)和优异的循环稳定性(1 C倍率下500次循环后容量719 mAh g-1)，同时可以兼顾高面积容量(11.4 mAh cm-2)与高体积容量(1329 mAh cm-3)。该研究工作为高能量密度Li-S电池的发展提供了新机遇。所开发的新型二维多孔碳纳米材料还有望应用于其它研究领域，如超级电容器、异相催化和电催化、柔性储能器件。

该论文第一作者为萨本栋微米纳米科学技术研究院2014级硕士研究生裴非，方晓亮副教授与郑南峰教授为共同通讯作者，萨本栋微米纳米科学技术研究院为第一通讯单位。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委和厦门大学校长基金的支持。