近期，湖南大學材料院陳小華教授課題組與澳大利亞臥龍崗大學的駱文彬教授合作，設計合成了高度石墨化的三維定向碳納米管陣列，并對其進行氮原子、硼原子的摻雜，進一步改善電子結構，提高電子或空穴增強的活性位點。
 

 

 

       鋰硫電池具有超高的理論能量密度（2600 Wh/kg），有原材料豐富、價格低廉以及環(huán)境友好等一系列優(yōu)點，被認為是最具吸引力的下一代二次電池之一。然而，鋰硫電池尚存在著導電性差、容量衰減過快、活性物質利用率低以及安全性能差等諸多問題， 這些問題使其實用化進程受到了嚴重的阻礙。 其主要原因是，鋰硫電池在充放電過程中易形成可溶于電解液的多硫化物，多硫化物穿梭造成活性物質減少。為了獲得穩(wěn)定性好、比容量高的硫正極材料，常用的解決方法是采用導電骨架為載體，在提高導電性的同時抑制多硫化物的穿梭，使其錨定在正極處。 而相比于鋰硫電池，鋰硒電池具有相比擬的體積容量密度 3253 Ah L-1（S： 3467 Ah L-1），且硒相對于硫具有更高的電導率以及更好的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，硒卻存在理論質量比容量較低（約 670 mAh g-1）的缺陷。硫化硒雖然是一種兼有硫和硒各自優(yōu)勢的新型電極材料， 但仍然存在著導電性低的缺陷，且循環(huán)穩(wěn)定性雖然與鋰硫電池相比有所提高，但仍然未達到人們希望的水平。因此，開發(fā)一種結合硫和硒各自優(yōu)勢的新型電極材料具有重要的理論意義和現實價值。
 

 

 

       在這次合成中，陳小華教授課題組和駱文彬通過熔融浸漬法將 SexSy 負載到碳納米管陣列中，形成同軸陣列結構。該結構將把高度有序的定向碳納米管的高導電性以及對多硫硒化物的物理限制作用與對多硫硒化物的化學限制作用相結合，具有突出的綜合優(yōu)勢：（1）高度石墨化的碳納米管陣列及有序的介孔結構形成了順暢的電解液、電子傳輸通道。（2）利用了雙重限域作用，活性物質負載于碳納米管內腔、管壁的分級孔及定向碳納米管間隙中，物理的限域作用可以有效抑制活性物質的體積變化和溶出，使電極材料保持整體的結構穩(wěn)定性；（3）碳納米管中的雜原子可以與硫、硒之間形成鍵合作用，提高活性物質在碳基表面的吸附，協同抑制了多硫硒化物的穿梭效應。（4）S8分子中引入Se原子進一步增強其浸潤性，不但抑制多硫硒化合物的溶解，而且增強微孔的毛細吸附作用，進一步提高活性物質的裝載量。該同軸結構作為鋰硫電池正極材料不但顯示出大容量的長循環(huán)穩(wěn)定性，而且具有杰出的大電流性能，能夠滿足未來儲能器件高功率、大能量密度需求。該同軸結構在0.1A /g的電流密度下，容量達到1404.5 mAh/ g，能量密度高達1800 Wh /kg，且具有93%的高庫倫效率。 即使在7 A /g的大電流下，容量仍達到 613 mAh /g, 顯示了突出的大電流性能。這種具有高度有序電子、離子通道，以及物理和化學雙重限制的多硫化物穿梭的策略，為獲得高性能鋰硫電池提供了一種新的解決途徑。
 

 

 

       該成果發(fā)表在國際材料類權威期刊《Advanced Functional Materials》（影響因子13.325）上，題為“3D Selenium Sulfde@Carbon Nanotube Array as Long-Life and High-Rate  Cathode Material for Lithium Storage”。碩士研究生范海寧為該論文的第一作者，湖南大學為第一單位，陳小華為第一通訊作者，駱文彬為第二通訊作者。