鋰離子電池已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于可移動電子設(shè)備中。近年來，由于電動汽車和智能電網(wǎng)的興起，傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度已經(jīng)不能滿足人們的需求。越來越多的科研工作者開始尋找和研究高能量密度的電極材料。其中，硫作為目前比容量最高的鋰電池正極材料，具有生產(chǎn)成本低廉，毒性低，容量高和能量密度高的優(yōu)點，引起了鋰電工作者們極大的研究興趣。然而，鋰硫電池也面臨著三個無法避免的挑戰(zhàn)：（1）硫的電導(dǎo)率很低，極大的降低了鋰硫電池的功率密度和硫的利用率；（2）多硫化物中間體的溶解和不可逆反應(yīng)導(dǎo)致了鋰硫電池的容量衰減；（3）硫在嵌鋰和脫鋰過程中引起的較大的體積變化會破壞硫電極結(jié)構(gòu)的完整性，并導(dǎo)致容量衰減。針對這三個挑戰(zhàn)，馬里蘭大學(xué)王春生教授課題組進行了深入而細致的研究，顯著地提高了硫電極的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

 

 

 

在目前提高硫電極電化學(xué)性能的各種方法中，碳包覆被認為是最有效的方法之一。同時，碳材料生產(chǎn)成本低廉，電導(dǎo)率高，而且可以抑制多硫化物的溶解和克服體積膨脹引起的結(jié)構(gòu)破壞。然而，僅僅依靠物理的包覆很難避免多硫化物的溶解和實現(xiàn)較長的循環(huán)穩(wěn)定性。為了進一步解決這些問題，首次使用了含氧的碳材料來抑制多硫化物的溶解和副反應(yīng)。碳材料中的含氧基團能和硫形成化學(xué)鍵，從而穩(wěn)定硫電極。該含氧的碳硫復(fù)合物在鋰電池中能穩(wěn)定循環(huán)2000次，并保持平均每周充放電循環(huán)容量損失僅為0.0045%。這代表了目前穩(wěn)定性最好的碳硫復(fù)合物正極材料之一。在研究過程中，該團隊發(fā)現(xiàn)，在開始的幾個循環(huán)周期將碳硫復(fù)合物嵌鋰到0.6伏能顯著提高電池的可逆容量。這是由于深度嵌鋰能活化原本沒有電化學(xué)活性的硫，使被硫氧鍵穩(wěn)定的硫產(chǎn)生電化學(xué)活性。該含氧的碳硫復(fù)合物在鈉硫電池中也表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。因此，該成果表明含氧基團穩(wěn)定的碳硫復(fù)合物是非常有應(yīng)用潛力的鋰電池和鈉電池正極材料。