多孔碳纳米纤维与硫复合材料的制备及其在锂硫电池电极上的应用.

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1、多孔碳纳米纤维/硫复合材料的制备及其在锂硫电池上的应用通过静电纺丝、碳化和以溶液为基地的化学反应沉积方法将硫填充到多孔的碳纳米纤维（CNFs）中。硫和CNFs的连接可以通过这种化学反应沉积的方法得以实现，却不能通过已经报道过的一些其他方法如球磨、热处理完成。这些负载不同S含量的特殊的多孔碳纳米纤维和硫的复合物（CNF-S）应用于锂硫二次电池中时具有高可逆容量、良好的循环稳定性以及大倍率放电能力。本文中我们将硫含量为42wt%的CNF-S纳米复合材料制备的电极并应用于锂硫二次电池中时，电池能保持比较稳定的放电能力，在0

2、.05C、0.1C和0.2C三种倍率下电池容量分别保持在1400mAhg−1、1100mAhg−1和900mAhg−1。我们将这种优越的电化学现象归结于CNFs拥有高电子传导比表面积，从而能将硫分散和固定在多孔的结构上，减缓了聚硫离子的穿梭效应。SEM图像展示了在0.05C倍率下经过30次充放电过后多孔CNF仍然保持其原有的结构。引言二次锂电池已经成为一种非常重要有效地储存由可再生能源（如太阳能和风能）产生的电能的设备。新型电化学材料和新的氧化还原概念仍然迫切的需要新的突破来创造拥有更大能量/电池密度的新型电池来满足

3、大规模能量存储设备的需求。由于硫具有1672mAh/g的高理论比容量和约为2600Whkg–1高理论能量密度，因此它作为锂电池的电极材料非常具有应用价值，引起了广大科学家的重视。另外，硫价格低廉、来源广泛、无毒、且对环境无污染。因此，锂硫电池很有可能取代大多数锂电池。但是，锂硫电池仍然面临着一些严峻的问题，包括在不断充放电过程中活性物质（S）利用率低、库伦效应低以及能量流失快。这些问题都是由于硫具有较低导电率(绝缘性质)和较高倾向溶于有机溶剂性电解质（由在连续放电/充电过程中形成的长链聚硫离子组成的）中，以及伴随着的

4、“穿梭效应”现象造成的，从而导致锂受到腐蚀，并增加了电池的内阻。首先，为了增强锂硫电池的性能，大多数的研究集中在制备多孔碳和硫的纳米复合物或者制备可以导电的聚硫化物。其中，多孔碳和导电的聚合物能充当导电体增强导电性，同时阻止聚硫离子在电解质溶液中溶解。其次，还可以使用一些选择性的电解液（包括混合电解液）或者对电解液进行改进（如加一些最常见的陶瓷纳米颗粒或者添加剂到电解液中）。特殊的电解液，比如常温下的离子液体，拥有较广电化学稳定性能平台，低溶剂，良好导热性和化学稳定性，且环保，可以减少多聚硫离子的溶解，增强离子导电性

5、，同时降低粘度。在电解液使用添加剂(包括对电解质的修改)可以提高离子电导率，减轻聚硫离子溶解于电解质的问题，并增加金属锂的界面相容性。第三，使用一些新的粘结剂。这些粘结剂有很高的粘附能力，从而将电极材料粘附在电流收集器上，以及良好的离子导电性和较少溶解在有机电解质，进而减小电池内阻。本研究中，我们将单质硫负载到多孔碳纳米纤维（CNFs）上，制备出一种应用于锂硫二次电池电极材料的多孔碳纳米纤维和硫的复合物（CNF-S）（Fig.1显示了合成多孔CNF-S纳米复合材料的步骤和评价这种以复合材料为基地制备出的电极材料应用在

6、锂硫二次电池中的电化学性能的原理图）。这里，我们用低成本、简单和环保电纺的技术和随后的碳化方法制备多孔碳纳米纤维，这种方法已被广泛用于制造锂离子和燃料电池等的电极中。通过化学溶液反应沉积方法可以很容易的将硫填充到多孔碳纳米纤维中。具有高电子电导率和良好的机械强度的多孔碳纳米纤维可以在硫和电流收集器之间建立更亲密的电子接触，从而提高硫利用率。这些线状，细长相互连接的多孔碳纳米纤维拥有非常高的表面体积比率和多种孔隙，从而保证了大量硫能在多孔结构中储存。多孔碳纳米纤维也可以作为较强的吸收剂来留住聚硫离子，减少其在电解液中的

7、溶解。Fig.1Schematicillustrationoftheexperimentalprocedures.(a)CarbonizingelectrospunPAN/PMMAbicomponentnanofiberstoobtainporousCNFs;(b)incorporatingSintotheporousCNFnanostructureviasolution-basedchemicalreactionstoobtainporousCNF–Snanocomposites;(c)thermaltreatme

8、ntoftheas-formedporousCNF–SnanocompositestoremoveSoutsideofthepores;(d)assemblingLi/ScellstoevaluatetheelectrochemicalperformanceofthethermallytreatedporousCNF–Snanocomposit