“全石墨烯”正极——石墨烯基材料在锂硫电池中的妙用 | 山东利特纳米技术有限公司-pg电子app

电化学储能在当今人们的生产生活中占有重要地位。无论是可再生能源的大量存储还是便携式设备的高密度存储，对电化学储能器件和材料的成本、储能密度、稳定性等指标都提出了较高的要求。由于理论比容量、比能量高，原料价廉易得，锂硫电池在未来电化学储能领域中将极具竞争力，但硫正极的低导电性、正极多硫化物的高溶解性仍是其中亟待解决的问题。为了解决硫正极存在的问题，采用碳-硫复合正极是最常见的思路之一。多孔碳材料通常有良好的导电性，其孔结构既可承载较多的硫、提高比容量，又可对多硫化物起到一定的限域作用、减少循环过程中容量的损失。

中科院沈阳金属所李峰研究员及其合作者近日报道了一种“完全由石墨烯构成”的锂硫电池正极材料。石墨烯具有高结构稳定性、高导电性、高比表面积、高孔隙率的特点，因此是锂硫电池的一种理想的正极碳骨架材料。

在这一工作中，研究者利用了石墨烯衍生物众多、性能多样化的特点，灵活运用不同的制备、加工手段，得到多种具有不同性能特点的石墨烯基材料，并将其组装为锂硫电池。电极中用到的石墨烯基材料主要有三种：高导电性石墨烯（hcg），多孔石墨烯（hpg），以及部分氧化石墨烯（pog）。

高导电性石墨烯（hcg）由液相剥离法制备得到粉体，然后抽滤并揭取，得到自支撑的hcg薄膜作为正极集流体。多孔石墨烯（hpg）和部分氧化石墨烯（pog）均由氧化-高温剥离（还原）法制得，但工艺有所不同，从而分别具有高孔隙率和多官能团的特点。hpg粉体在155℃下负载单质硫后，置于hcg层和pog层之间作为活性物质层；而pog则经过抽滤沉积到商用聚合物隔膜上，防止多硫化物穿过隔膜向负极迁移。

由此制备得到的锂硫电池，其性能上佳，并且循环稳定性良好。hpg的孔隙率达3.51 cm3/g，因而可使硫负载量达到80 wt%，且面负载密度可达5 mg/cm2，因此半电池的首次比容量达到1500 mah/g，相应的面密度也达到7.5 mah/cm2，可以有效提高体积能量密度、提高空间利用率。pog中含有大量官能团，可以有效地通过化学键合来与多硫化物结合，从而限制了其向负极的迁移。检测表明，经过400次循环，半电池仍能保留841 mah/g的比容量。

正极整体由石墨烯骨架构成，因此导电性良好，这在倍率性能中也有所体现。此外，由于避免了金属集流体的使用，电池整体呈现轻质化的特点，这在实际应用中也具有一定意义。相关研究成果在线发表于知名期刊acsnano上。

来源：低维材料