能源短缺和环境污染是全世界面临的重大问题，新能源的开发和利用刻不容缓，而电池作为能量存储的关键器件对其的要求逐渐升高。其中，锂硫电池被认为是最具发展潜力的二次电池之一，因为其具有1675 mAh g-1的超高理论比容量，以及高达2500 Wh kg-1的质量能量密度。并且，地壳中硫资源丰富，价格低廉且对环境友好。然而，锂硫电池的一些天然缺陷严重影响了它们的实际应用：单质硫及其放电产物的导电性差；在充放电过程中，硫的体积变化高达80％；反应中间产物溶于电解液，能够通过隔膜来回穿梭形成“穿梭效应”，多硫化物在阳极的进一步反应形成以LiS2为主的钝化层，造成活性物质不可逆的损失以及锂阳极的腐蚀。
近日金沙9170入口徐鹏特聘教授报道了一种应用于锂硫电池的钴嵌入多孔碳纤维三明治独立正极，可有效抑制锂硫电池的穿梭效应，大幅提高锂硫电池的电化学性能。该项通过静电纺丝法制备了可抑制穿梭效应的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜（Co-PCNF），然后将活性材料牢牢固定在两层碳纤维膜之间，形成了独特的三明治结构电极。这种独特的三明治结构电极可取代铝箔集流体，有助于提高锂硫电池的能量密度，协调硫在充放电过程中的体积变化，并且能够显著抑制穿梭效应的发生。结果表明，在0.5C和1C的放电倍率下，初始放电比容量为1013.3 mAh g-1和933.4 mAh g-1，循环500次后每次容量衰减率分别为0.04%和0.08%，较大硫负载量（2.2 mg cm-2）在0.2C电流密度下循环150次后仍具有1009.8 mAh g-1的放电比容量。因此，这种Co-PCNF三明治结构电极为锂硫电池正极材料结构设计提供了新思路。
图1 (a)锂硫电池采用铝箔集流体的示意图；(b)锂硫电池使用Co-PCNF三明治电极及其吸附性能与催化效果的示意图
图2 (a).(b).(c)为CNF的SEM图；(e) .(f). (g)为Co-PCNF的SEM图；(d) .(h)分别为CNF、Co-PCNF的TEM图；(i). (j)分别为Co-PCNF的DEM、HRTEM图
图3 (a)Li2S6的可视化吸附测试；(b)Li2S6溶液的紫外-吸收光谱（UV-vis）；(c)Co-PCNF对Li2S6吸附前后的Co 2p XPS 光谱；(d)Co-PCNF对Li2S6吸附前后的N 1s XPS 光谱
图4 (a)采用铝箔集流体电极、CNF三明治电极和Co-PCNF三明治电极的Li-S纽扣电池的CV测试；(b)0.1 C下各电池的充放电曲线；(c)0.1 C - 3 C不同电极的电池倍率性能；(d) Co-PCNF三明治电极在0.1 C - 3 C的充放电曲线；(e)不同电池的EIS图；(f)含硫量较高的Co-PCNF三明治电极在0.2 C电流密度下的循环性能；(g)不同电极的Li-S电池在0.5 C和(h)1 C下的长循环性能。
相关研究成果以“Cobalt embedded in porous carbon fiber membranes for high-performance lithium-sulfur batteries”为题在线发表在国际顶级材料期刊Carbon（影响因子9.594，一区TOP）上，并被主编推荐入选Front Cover文章。该论文的第一单位为金沙9170入口，第一作者为9170官方金沙·入口会员登录(VIP认证)-最新App Store硕士生陈沂阳，通讯作者为金沙9170入口徐鹏特聘教授。该研究得到贵州省科技支撑计划项目、贵州省科学技术基金、贵州省教育厅成长项目及金沙9170入口培育基金支持。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.11.015
作者介绍：
徐鹏，1987年6月出生，中共党员，研究生学历，工学博士，硕士研究生导师，金沙9170入口特聘教授。主要研究方向为激光加工、增材制造、锂硫电池正极材料。近年来发表教改论文2篇，指导本科生开展大创及SRT项目5项；主持省部级及校级科研项目10余项，发表SCI论文12篇，获发明专利授权5件，获贵州省科技进步三等奖2项、合著专著及“十三五”规划教材各1部。
陈沂阳，1996.09月出生，中共预备党员，9170官方金沙·入口会员登录(VIP认证)-最新App Store硕士研究生。2019年本科毕业于9170官方金沙·入口会员登录(VIP认证)-最新App Store新能源科学与工程专业，同年进入金沙9170入口进行硕士研究生阶段的学习，导师为徐鹏特聘教授。主要研究方向：碳纤维及其化合物在锂硫电池中的应用。