近期，湖南大學(xué)材料院陳小華教授課題組與澳大利亞臥龍崗大學(xué)的駱文彬教授合作，設(shè)計合成了高度石墨化的三維定向碳納米管陣列，并對其進(jìn)行氮原子、硼原子的摻雜，進(jìn)一步改善電子結(jié)構(gòu)，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(rèn)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(dǎo)電性差、容量衰減過快、活性物質(zhì)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(jìn)程受到了嚴(yán)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(zhì)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(dǎo)電骨架為載體，在提高導(dǎo)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(dǎo)率以及更好的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，硒卻存在理論質(zhì)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(dǎo)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(dá)到人們希望的水平。因此，開發(fā)一種結(jié)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(xiàn)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(fù)載到碳納米管陣列中，形成同軸陣列結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將把高度有序的定向碳納米管的高導(dǎo)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(xué)限制作用相結(jié)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(jié)構(gòu)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(zhì)負(fù)載于碳納米管內(nèi)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(zhì)的體積變化和溶出，使電極材料保持整體的結(jié)構(gòu)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(zhì)在碳基表面的吸附，協(xié)同抑制了多硫硒化物的穿梭效應(yīng)。（4）S8分子中引入Se原子進(jìn)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(xì)吸附作用，進(jìn)一步提高活性物質(zhì)的裝載量。該同軸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在0.1A /g的電流密度下，容量達(dá)到1404.5 mAh/ g，能量密度高達(dá)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(dá)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(xué)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(quán)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(xué)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。