摘要：近日，滑鐵盧大學的Nazar教授課題組采用上圖一所示的方法，通過原位交聯的方式復合粘結劑CMC與正極物料，再通過傳統(tǒng)涂覆的方式實現了14.9 mgcm−2高面負載硫電極的制備，更重要的是其電解液／硫的比例僅需3.5:1 （uL:mg），極大的解決了體積能量密度低的問題，在穩(wěn)定循環(huán)的前提下可實現14.7 mA h cm −2的面比容量。
鋰硫電池有望實現商業(yè)化應用并成為鋰離子電池的理想替代品，但諸多問題限制了其進一步的實用化生產，其中其體積能量密度是最容易被忽視的問題之一。通常，正極中碳材料比例較高，加之硫密度較低(2.07 mg cm−3)，使得正極中單位體積中發(fā)揮作用的活性物質量有限。
其次，為保證活性物質的充分發(fā)揮，電解液與硫的比例想多較高，這在降低了成品電池的質量能量密度的同時，也極大的降低了其體積能量密度。因此，如何實現緊實的鋰硫電池正極設計，從而提高電極的體積能量密度極為重要。 　　Figure 1. A schematicillustration of the concept of coupling hierarchical sulfur composite based ona hybrid host with in situ cross-linked binderin order to fabricate stablehigh-loading cathodes. Step 1 starts with hybridizing two individual 2Dnanosheets (graphene and g-C3N 4) to form thenanosheet-type host material; instep 2, hierarchical sulfur composites are formed as large multi-micrometersized secondary particles formed as aconsequence of evaporation inducedself-assembly and sulfur infusion; step 3 involves in situ cross-linking of thecarboxymethyl cellulose binder inthe presence of the sulfur composites.
　　近日，滑鐵盧大學的Nazar教授課題組采用上圖一所示的方法，通過原位交聯的方式復合粘結劑CMC與正極物料，再通過傳統(tǒng)涂覆的方式實現了14.9 mgcm−2高面負載硫電極的制備，更重要的是其電解液/硫的比例僅需3.5:1 (uL:mg)，極大的解決了體積能量密度低的問題，在穩(wěn)定循環(huán)的前提下可實現14.7 mA h cm −2的面比容量。 　　Figure 2. a) Aschematic illustration of the cross-linking of CMC binder with CA as thelinker, based on the esterifiation of the –OH groups in CMCand the –COOH groupsin CA at 150 °C. b) The FTIR spectra of the pristine CA, CMC, cross-linkedCMC-CA (without the sulfur composite) and thein situ cross-linked sulfurelectrodes. c–e) The SEM images of the surface of sulfur cathodes fabricatedusing (c) PVDF binder and (d,e) cross-linkedCMC-CA binder.
　　圖2 (a)表明了反應的原理是通過CMC中的-OH和CA中的-COOH酯化作用進行的，對應的紅外光譜顯示了CA、CMC和在極片中交聯后粘結劑的特征峰的存在。而SEM表征則更為直觀的顯示出原位交聯粘結劑在高負載的情況下仍然保持十分完整緊實的形貌，對應的PVDF粘結劑涂覆的電極則出現常見的開裂問題。 　　Figure3. a) The discharge/charge voltage profies (at C/20) and b) cycling stability(at C/2) of the NG-CN/PVDF, NG-CN/CMC-CA, g-C3N 4/PVDF, andNdC/PVDF sulfurcathodes with a low sulfur loading of ≈2.0 mg cm −2; electrodes wereconditioned at C/20 before cycling at C/2. c,d) The voltage profies of theNG-CN/CMC-CA sulfur cathodes with varied sulfur loadings as a function of (c)mass specifi capacity and (d) areal capacity at 0.5 mA cm −2.e) The cyclingstability of the NG-CN based sulfur cathodes fabricated with PVDF, non- andcross-linked CMC-CA binders with sulfur loading of5.2 mg cm −2 at 1.0 mA cm −2.f) The cycling stability of NG-CN/CMC-CA cathodes with sulfur loadings of 10.2and 14.9 mg cm −2 at 1.0 mA cm −2; theinset shows the voltage profies of the14.9 mg cm −2 electrode at 11th cycle, with signifiant voltage flctuationindicating dendrite formation.
　　電化學表征進一步佐證了通過原位交聯劑交聯多功能化和多級結構硫正極復合物的方式可實現高電化學表現。氮摻雜的石墨烯和石墨化C3N4有很高的導電性和很強的多硫化物吸附性能。微米級顆粒的正極材料形成緊實的高負載量電極，硫比例下可達到14.9mgcm−2。其次，研究人員指出鋰負極的問題是進一步實現更高負載量鋰硫電池穩(wěn)定循環(huán)的關鍵。
(責任編輯：王杰)