西北工业大学|黄英教授团队JMCA：合理设计多面体碳框架实现实心到空心的转变，用于长循环寿命的二次电池- 大数跨境

首页

西北工业大学|黄英教授团队JMCA：合理设计多面体碳框架实现实心到空心的转变，用于长循环寿命的二次电池

科学材料站

2021-01-30

导读：本文通过在商业的PP隔膜上直接涂覆多面体碳骨架，设计了一种用于锂硫电池的功能化隔膜。由于物理/化学协同吸附，PCF-800可有效抑制多硫化锂的穿梭。

文章信息

合理设计多面体碳框架实现实心到空心的转变，用于长循环寿命的二次电池

第一作者：张政

通讯作者：黄英

单位：西北工业大学

研究背景

由于全球锂资源有限，使钠离子电池（SIB）和锂硫电池（LSB）被认为是具有广阔前景的下一代储能体系。但Na+的原子半径大于Li+，因此在充放电期间，材料所经历大的应力变化导致钠离子电池性能迅速下降，并且大电流充放电能力不强。锂硫电池的理论能量密度约为2600 W h kg-1、理论比容量高达1675 mA h g-1，但硫及其放电产物的导电性很差，在充放电期间存在硫的体积膨胀，以及多硫化锂的穿梭效应。上述问题严重阻碍了钠离子/锂硫电池的商业化进程。

材料的结构设计是解决上述问题的重要途径。近年来，中空纳米结构由于其独特的结构优势引起了国内外学者的关注。然而，制备特定的中空结构材料往往过程复杂，如何以简单的方式制备空心纳米材料具有挑战性。

碳基材料具有原料丰富，工作电位低，导电性好和长期循环稳定的特点，且碳在电池材料的应用中也取得了较多的成果，但将所制备的材料同时用于钠离子/锂硫电池，并使其具有优异的电化学性能的研究鲜有报道。

文章简介

近日，西北工业大学黄英教授团队研究了一种由多面体碳骨架（PCF）组成的多功能纳米材料，通过改变核壳前体ZIF-8@ZIF-67的碳化温度来实现从实心到空心结构的演变。

研究表明，在800°C下获得的材料具有较大的比表面积和孔体积、良好的中空结构和约59.9 nm的壳厚度。通过在商业的PP隔膜上直接涂覆多面体碳骨架，设计了一种用于锂硫电池的功能化隔膜。由于物理/化学协同吸附，PCF-800可有效抑制多硫化锂的穿梭。

此外，研制的材料在钠离子电池中也显示出稳定的循环性能、高可逆容量和良好的倍率性能。该研究成果发表在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上。

图1. PCF的合成策略以及在钠离子/锂硫电池中的应用

本文要点

要点一：通过改变核壳前体ZIF-8@ZIF-67的碳化温度，实现多面体碳框架的不同结构

中空结构的形成通过ZIF-67和ZIF-8之间的热稳定性差异实现。ZIF-8的热稳定性优于ZIF-67，当温度为480°C时，ZIF-67首先分解形成刚性外壳，因此PCF-480此时是固体结构。当温度升至650°C时，ZIF-8开始分解。

这时，在刚性外壳和ZIF-8内核界面处形成粘附力，并抑制核向内收缩，因此，PCF-650可以形成空心结构，平均壳厚度约为90.4 nm。随着温度的进一步升高，在界面上的粘附力进一步增加，导致壳体的厚度进一步减小。可以从59.9 nm（PCF-800）减小到44.8 nm（PCF-1000）。

要点二：所制备的多面体碳骨架材料修饰商业的PP隔膜用于锂硫电池

研究发现:

（1）具有较大比表面积和孔结构的中空PCF-800可物理吸附多硫化物。

（2）嵌入N掺杂的多面体碳骨架中的Co纳米颗粒可以通过化学作用进一步固定多硫化物。

（3）通过调控碳化温度可设计具有不同结构的多面体碳骨架材料，在对多硫化物的吸附和分离中起决定性的作用。

实心结构和较厚的外壳不利于Li+和S之间的接触，从而导致大极化（PCF-480（650））。PCF-1000的外壳较薄，且比表面积和孔体积较低，因此吸附路径相对较短，并且吸附活性位点减少，导致无法有效抑制多硫化物扩散并形成一定的穿梭。

最终，带有PCF-800的隔膜的锂硫电池在1.0 C的电流密度下，经1000次循环，容量可保持在625.4 mA h g-1。此外，这种优异的电化学性能在高的硫面载下仍可以维持。

要点三：所制备的多面体碳骨架材料展现出优异的储锂/钠性能

多面体碳骨架材料的另一个应用是用于高性能钠/锂离子电池负极材料。首先，PCF-800的孔径主要集中在微孔和中孔范围内，这可使电解质迅速渗透并促进离子迁移。

其次，较大的比表面积可提供较多的Li+/Na+吸附活性位，确保在高电流密度下的循环性能。

第三，内外壁之间的薄壳可以缩短Li+/Na+的迁移距离。此外，中空结构还有助于减轻循环过程中材料的体积膨胀。基于上述优点，PCF-800表现出稳定的循环性能，即使在10.0 A g-1的电流密度下可提供333.3 mA h g-1（LIB/1000次循环）和150.4 mA h g-1（SIB/2000次循环）的可逆容量。

文章链接

Rationally Designed Polyhedral Carbon Framework from Solid to Hollow for Long Cycle Life Secondary Battery

https://doi.org/10.1039/D0TA11264J