陈元振，柳永宁/周腾飞/ZaiPing Guo等 AFM：长有石墨晶须的石墨化木炭网络应用于Li-S电池- 大数跨境

首页

陈元振，柳永宁/周腾飞/ZaiPing Guo等 AFM：长有石墨晶须的石墨化木炭网络应用于Li-S电池

科学材料站

2021-06-07

导读：该文章研究发现木材经碳化和石墨化后会在管道内生长出石墨晶须并构建成导电性能优异的三维网络结构

文章信息

多硫化物过滤器和枝晶抑制：高度石墨化木质网络用于Li-S电池以抑制多硫化物穿梭和锂枝晶

第一作者：陈元振，邹坤洋

通讯作者：周腾飞*，柳永宁*，Zaiping Guo*

单位：西安交通大学，安徽大学，阿德莱德大学

研究背景

锂硫电池因为具有较高的理论比容量（1672 mAh g-1）和能量密度(2600 Wh kg-1)，近10多年，得到了广泛的研究。但该类电池的也存在诸多问题，如S和Li2S等都是绝缘体；多硫化物的溶解性，使其可以穿过隔膜，对锂金属负极造成腐蚀，这不仅会降低硫的利用率，同时还会影响电池的循环性能；充放电过程中产生的体积膨胀会导致电极结构失效并降低使用寿命。

为了解决以上问题，很多材料如碳材料，过渡金属化合物，导电聚合物，和有机框架材料等被用于Li-S电池中，以期改善其性能。大量的研究显示，导电性对于Li-S正极而言至关重要；对于金属电池，枝晶的产生往往与电流分布不均匀有关。因此，如何构建优良的导电网络是研究的重点。

文章简介

基于此，来自西安交通大学的陈元振副教授，柳永宁教授与安徽大学周腾飞教授，阿德莱德大学的郭再萍教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Polysulfide Filter and Dendrite Inhibitor: Highly Graphitized Wood Framework Inhibits Polysulfide Shuttle and Lithium Dendrites in Li–S Batteries”的研究文章。

该文章研究发现木材经碳化和石墨化后会在管道内生长出石墨晶须并构建成导电性能优异的三维网络结构，将其作为中间夹层，其阵列管道可充当Li-S 电池的微反应池并将反应限制在导电管道内（限域效应），进而限制多硫化物穿梭并对负极起到保护作用。

图1. 夹层对多硫化物穿梭抑制和锂负极保护示意图

本文要点

要点一：木材具有丰富的贯通孔道，将其石墨化后可以形成一体化的三维导电网络，可提高多硫化物的反应动力学

本文选取一种具有管道排列密集，孔道比率高，孔径尺寸合适的东北松作为原始材料。将其碳化后制备成碳化木质框架（carbonized wood framework, CWF）。碳化后的木炭管道通畅，且内壁光滑；在将其高温石墨化（2500℃）制备成石墨化木质框架（graphitized wood framework，GWF），木炭自身含有的金属催化作用下，在管壁上生长出了石墨晶须。使用GWF夹层时，赋予电池较小的极化，Li-S电池的比容量可达到1593 mAh g-1，优异的倍率性能和循环性能。

要点二：石墨化贯通孔道内生出丰富的石墨晶须，引导优化了S，Li2S或者多硫化物的反应位点和沉积位置

电池循环测试完后对夹层的表征结果显示，石墨化木炭的管壁和石墨晶须上分布着沉积物。其纵切面的Mapping图显示，很多硫基的颗粒聚集体分布在石墨晶须以及管道壁上，说明GWF导电网络和石墨晶须很好的“束缚”了硫及其反应产物，其作用机理类似于“鼻毛”过滤空气一样，其中的石墨晶须为硫的反应提供了更多的反应位点和沉积位置。

要点三：石墨化木炭的限域效应

导电孔道阵列将普通大面积无约束的电极反应分隔成了众多且均一的小面积微反应，并将电池中所有液体的传输限制在垂直孔道内，有效避免了大面积反应中出现电流分布不均匀的现象（这会造成某一局域电流密度过大，容易产生锂枝晶），从而降低了锂枝晶产生的概率，即本工作提出的管道限域效应（tunnel confinement effect）。

要点四：石墨化木炭对锂负极的保护作用

对于正常的无夹层锂负极，经过100圈循环后表面出现粉化层，结合XRD和XPS检测结果，可以确定该粉化层为Li2S。使用CWF夹层时，Li2S的变少，到100次循环时部分区域出现Li2S粉化。使用GWF时，循环100次后，表面光滑，基本无Li2S颗粒产生。这主要归因于石墨化木炭可以有效的抑制多硫化物的穿梭而减少了对锂负极的侵蚀，从而保护了负极，进而使电池表现出较好的综合电化学性能。

文章链接

“Polysulfide Filter and Dendrite Inhibitor: Highly Graphitized Wood Framework Inhibits Polysulfide Shuttle and Lithium Dendrites in Li–S Batteries”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202102458

通讯作者介绍

柳永宁教授.

西安交通大学材料学院教授，博士生导师。研究领域为微纳米材料的相变与力学性能；新一代轴承钢与耐磨钢的研究与开发；储氢材料；碳纳米材料；新一代大容量锂离子电池材料与电池技术；液体燃料电池催化材料与电池技术。近几年内，主持完成以及在研项目10余项，其中主持自然科学基金3项，主持部委基金4项。在国际权威期刊等如Nano Letters，ACS Nano，ACS catalysis，Nano Energy, Advanced Functional Materials，Energy Storage Materials，Journal of Materials Chemistry A等180余篇。

周腾飞教授.

安徽大学物质科学与信息技术研究院，能源材料与化学研究所教授，博士生导师。主要从事新能源存储，碳资源转换材料及器件设计研究，并结合原位同步辐射测试技术探究其光电化学反应机理。发表论文约80篇，第一及通讯作者论文包括 Adv. Mater. 2 篇, Angew. Chem. 1 篇, Energy Environ. Sci. 1篇, ACS Nano 3 篇, Adv. Energy Mater. 1 篇, Adv. Funct. Mater. 2 篇, Adv. Sci., Environ. Sci. Technol., 以及国产卓越学术期刊InfoMat, Mater. Chem. Front.等。单篇最高引用超过500次，合计被引用超过4700余次，H指数为35。曾获澳大利亚优秀青年基金，入选省部级人才项目2项，主持多项国家级、省部级以及企业横向等研究项目。

Zaiping Guo 教授.

澳大利亚阿德莱德大学教授，兼任ACS Applied Materials & Interfaces杂志副主编，曾获得澳大利亚伊丽莎白女王基金奖、澳大利亚新州州长奖、伍伦贡大学校长杰出研究奖等。课题组主要从事储能材料的研究，致力于探究低耗高效的方式合成二次电池电极材料，开发高性能电池，解决可充电池以及其他储能设备中的关键问题。在Sci. Adv., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., PNAS, Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等国际著名期刊发表多篇科研论文，其中if >10超过160篇。论文被引次数超过30900次，H-index为95。2018-2020年入选高被引学者，获Peer Review Awards（Top 1% in Field）。

第一作者介绍

陈元振，西安交通大学材料学院副教授，博士生导师。

主要从事先进功能碳材料及储能器件，主要包括(1) 石墨烯生产，多孔碳材料工业化制备，人造石墨工业化生产；(2)Li-S电池，锂离子电池，钠离子电池和超级电容器；(2)电化学催化。主持国家省部级项目4项目，横向课题2项。在国际权威期刊如Nano Letters，ACS Nano, Nano Energy, Advanced Functional Materials，Journal of Materials Chemistry A等60余篇。个人主页：http://mse.xjtu.edu.cn/info/1063/2757.htm，邮箱：cyz1984@xjtu.edu.cn。

邹坤洋，西安交通大学材料学院博士生。

主要从事Li-S电池电极功能研究，目前已在Advanced Functional Materials和ACS Applied Nano Materials发表2篇研究论文。