電化學(xué)儲能在當(dāng)今人們的生產(chǎn)生活中占有重要地位。無論是可再生能源的大量存儲還是便攜式設(shè)備的高密度存儲，對電化學(xué)儲能器件和材料的成本、儲能密度、穩(wěn)定性等指標(biāo)都提出了較高的要求。由于理論比容量、比能量高，原料價廉易得，鋰硫電池在未來電化學(xué)儲能領(lǐng)域中將極具競爭力，但硫正極的低導(dǎo)電性、正極多硫化物的高溶解性仍是其中亟待解決的問題。為了解決硫正極存在的問題，采用碳-硫復(fù)合正極是最常見的思路之一。多孔碳材料通常有良好的導(dǎo)電性，其孔結(jié)構(gòu)既可承載較多的硫、提高比容量，又可對多硫化物起到一定的限域作用、減少循環(huán)過程中容量的損失。

中科院沈陽金屬所李峰研究員及其合作者近日報道了一種“完全由石墨烯構(gòu)成”的鋰硫電池正極材料。石墨烯具有高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性、高比表面積、高孔隙率的特點，因此是鋰硫電池的一種理想的正極碳骨架材料。

在這一工作中，研究者利用了石墨烯衍生物眾多、性能多樣化的特點，靈活運用不同的制備、加工手段，得到多種具有不同性能特點的石墨烯基材料，并將其組裝為鋰硫電池。電極中用到的石墨烯基材料主要有三種：高導(dǎo)電性石墨烯（HCG），多孔石墨烯（HPG），以及部分氧化石墨烯（POG）。

高導(dǎo)電性石墨烯（HCG）由液相剝離法制備得到粉體，然后抽濾并揭取，得到自支撐的HCG薄膜作為正極集流體。多孔石墨烯（HPG）和部分氧化石墨烯（POG）均由氧化-高溫剝離（還原）法制得，但工藝有所不同，從而分別具有高孔隙率和多官能團(tuán)的特點。HPG粉體在155℃下負(fù)載單質(zhì)硫后，置于HCG層和POG層之間作為活性物質(zhì)層；而POG則經(jīng)過抽濾沉積到商用聚合物隔膜上，防止多硫化物穿過隔膜向負(fù)極遷移。

由此制備得到的鋰硫電池，其性能上佳，并且循環(huán)穩(wěn)定性良好。HPG的孔隙率達(dá)3.51 cm3/g，因而可使硫負(fù)載量達(dá)到80 wt%，且面負(fù)載密度可達(dá)5 mg/cm2，因此半電池的首次比容量達(dá)到1500 mAh/g，相應(yīng)的面密度也達(dá)到7.5 mAh/cm2，可以有效提高體積能量密度、提高空間利用率。POG中含有大量官能團(tuán)，可以有效地通過化學(xué)鍵合來與多硫化物結(jié)合，從而限制了其向負(fù)極的遷移。檢測表明，經(jīng)過400次循環(huán)，半電池仍能保留841 mAh/g的比容量。

正極整體由石墨烯骨架構(gòu)成，因此導(dǎo)電性良好，這在倍率性能中也有所體現(xiàn)。此外，由于避免了金屬集流體的使用，電池整體呈現(xiàn)輕質(zhì)化的特點，這在實際應(yīng)用中也具有一定意義。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于知名期刊ACSNano上。

來源：低維材料