张云教授/吴昊研究员AFM：合理设计具有亲锂-亲硫效应的多功能集成宿主实现高性能的Li

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张云教授/吴昊研究员AFM：合理设计具有亲锂-亲硫效应的多功能集成宿主实现高性能的Li–S全电池

科学材料站

2020-09-30

导读：该工作通过将生物衍生的N掺杂多孔碳纤维束（N-PCFs）与共嵌的钴和碳化铌纳米粒子组成导电复合结构，并将其用作多功能集成载体材料，可同时抑制多硫化物的穿梭和锂枝晶的形成，获得了高负载、高倍率、长循环

文章信息

合理设计具有亲锂-亲硫效应的多功能集成宿主实现高性能的Li–S全电池

First published: September 24, 2020

第一作者：魏云虹

通讯作者：张云*，吴昊*

单位：四川大学材料科学与工程学院

研究背景

在现代社会中，由于电池广泛支持了移动电子设备，通信设备和医疗设备的快速发展，电化学储能技术已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。近年来，可充电锂离子电池主导了能源市场，但是，其低能量密度已难以满足不断增长的能量存储系统需求。随着电池技术的发展，高能量密度和长使用寿命是必不可少的。因此优异的Li–S电池以其独特的配置而得以引起全球关注。

文章简介

近日，四川大学张云教授与吴昊研究员等合作。在国际顶级期刊Advanced Functional Materials(影响因子：16.836) 上发表题为“Rational Design of Multifunctional Integrated Host Configuration with Lithiophilicity‐Sulfiphilicity toward High‐Performance Li–S Full Batteries”的研究工作。

该工作通过将生物衍生的N掺杂多孔碳纤维束（N-PCFs）与共嵌的钴和碳化铌纳米粒子组成导电复合结构，并将其用作多功能集成载体材料，可同时抑制多硫化物的穿梭和锂枝晶的形成，获得了高负载、高倍率、长循环锂硫全电池。

本文要点

要点一：锂硫全电池的设计

本文以胶原纤维（Col-Fs）为基体，利用胶原纤维特有的多级纤维骨架，采用简单的胶原纤维-金属离子交联反应，稳定的多孔碳纤维框架结构，再通过简单的碳热还原反应，制备出具有亲锂-亲硫特性的碳化铌/钴共掺杂的多孔碳纤维（NbC/Co⊂N-PCFs），可同时作为理想的锂金属负极和硫正极的载体，并实现了高性能的锂硫全电池。

图一：多功能载体NbC/Co⊂N-PCFs的制备示意图

要点二：NbC/Co⊂N-PCFs对锂金属负极的修饰

作为锂金属负极的载体，NbC/Co⊂N-PCFs具备优异的亲锂特性能够实现对锂的强烈吸附、快速扩散和均匀沉积，因此可以抑制锂枝晶的形成，实现高的电化学活性和超长的锂金属负极的循环寿命。

图二：NbC/Co⊂N-PCFs应用于锂金属负极的性能图

要点三：NbC/Co⊂N-PCFs对硫正极的修饰

NbC/Co⊂N-PCFs 由于具有丰富的孔道结构，导电性和极性，可以对硫实现物理储存、化学吸附和高效的电化学催化作用，因此在储存高达78.5%的硫后，在室温和高温（55℃）下仍具有优异的电化学性能。

同时作者通过液-液、液-固反应进一步验证了此多功能集成宿主对多硫化物的催化能力。

图三：NbC/Co⊂N-PCFs应用于硫正极的性能图

图四：NbC/Co⊂N-PCFs应用于硫正极的性能图

要点四：NbC/Co⊂N-PCFs应用于锂硫全电池

结合NbC/Co⊂N-PCFs在锂金属负极和硫正极的复合作用，作者进一步将基于NbC/Co⊂N-PCFs的硫正极和锂金属负极组装成全电池（S@NbC/Co⊂N-PCFs || NbC/Co⊂N-PCFs@Li）。该全电池能够同时抑制多硫化物的穿梭效应及锂枝晶的形成，

因此可以实现优异的电化学性能。在高达5 C的倍率下仍具有704 mAh g-1的放电比容量。在0.5 C倍率下循环500圈具有高达82.3%的容量保持率，且在6.7 mg cm-2的高面密度下仍具有高达6.0 mAh cm-2的面容量。

图五：S@NbC/Co⊂N-PCFs || NbC/Co⊂N-PCFs@Li的性能图

文章链接

Rational Design of Multifunctional Integrated Host Configuration with Lithiophilicity‐Sulfiphilicity toward High‐Performance Li–S Full Batteries

https://doi.org/10.1002/adfm.202006033

通讯作者介绍

张云，四川大学教授，博士生导师，

四川省学术与技术带头人后备人选，中国化学会电化学委员会委员。1992年和1995年分获东北大学有色冶金专业工学学士和硕士学位，2006年获四川大学材料物理化学专业工学博士学位；1995年～2001年在成都理工大学应用化学系工作，2006年～2007年英国牛津大学化学系访问学者。主要从事锂离子电池关键材料和储能技术开发与产业化、纳米粉体材料的合成与应用研究等方向的教学与科研工作。参加或承担各类科研项目20余项，包括国家“863”、国家“973”、国家自然科学基金重点、四川省科技攻关以及校企合作项目；获国家授权发明专利6项，公开国家发明专利15项；在Advanced Functional Materials, J. Mater. Chem. A. ACS Applied Materials & Interfaces. J. Power Sources,及《化学学报》等期刊发表SCI论文40余篇。

吴昊，四川大学材料科学与工程学院引进人才，研究员，博士生导师，

全国百篇优秀博士论文获得者，四川省青年“千人计划”入选者，四川省特聘专家，四川大学“青年科学技术带头人”。澳大利亚昆士兰大学化工学院博士后。主要从事新型锂离子电池电极材料开发与应用、碳基新型储能材料等方面的研究工作。先后承担多项国家与省部级科研项目，包括国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和青年基金、教育部优秀博士论文专项基金、四川大学优秀青年基金、四川省重点攻关项目等，已在国际知名学术期刊如Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Green Chemistry等发表SCI学术论文近90篇。

第一作者介绍

魏云虹，四川大学在读博士研究生

研究方向为生物衍生的多功能复合材料在锂硫电池中的应用。目前已经在Advanced Functional Materials, Nano-Micro Letters, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry A, ACS Sustainable Chem. Eng., Carbon上发表文章10余篇。