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鮑哲南/崔屹最新AEM: 大佬“花”式科研！Ni修飾碳花/硫正極用于貧電解液鋰硫電池

鋰硫 (Li-S) 電池通過一系列可溶性多硫化鋰中間體 (LiPSs) 在硫和硫化鋰 (Li₂S) 之間發生可逆轉化反應，從而實現 1675 mAh g^-1的高理論比容量。然而，該工藝極化較大，硫利用率低，容易產生臨界容量衰減。

迄今為止，解決這個問題的主要方法是將硫滲透到納米碳中。但大多數使用多孔碳作為主體材料的研究都使用高電解液/硫比 (E/S)（通常> 15 μL mg^-1）進行測試，這會損害電池級的能量密度。

在此，美國斯坦福大學鮑哲南教授、崔屹教授等人報道設計了一種可以解決上述問題的帶有鎳納米顆粒的花狀多孔碳結構。這種3D碳花 (CF) 狀結構可實現較短的離子傳輸長度，它具有優異的高比表面積（>3300 m² g^-1），孔徑小于5 nm。

與傳統碳結構相比，碳花的暴露花瓣結構和嵌入納米花瓣可以提供更快的擴散途徑。此外，隨著在CF結構上加入Ni納米顆粒，作者觀察到與LiPS的更強化學相互作用以及更好的反應動力學。所有這些優點表明CF是S的理想宿主。

圖1. 碳花及碳片的表征

驗證實驗顯示，Ni-CF/S電極在C/10（含硫量為64%）下循環50次后仍可保持其原始容量的87%。此外，在高質量負載（5 mg cm^-2）和低E/S比（5 μL mg^-1）條件下，電極經150次循環后容量仍保留70%。

這種使用CF作為主體材料并添加鎳納米粒子以改善動力學反應和穩定性的簡單有效策略是在長循環中獲得高實用功率和能量密度的關鍵，促進了Li-S電池的實際應用。

圖2. CF/S和Ni-CF/S電極的電化學性能

A Nickel-Decorated Carbon Flower/Sulfur Cathode for Lean-Electrolyte Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Energy Materials 2021. DOI:10.1002/aenm.202101449

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