納米結(jié)構(gòu)碳主體材料廣泛用于提高鋰硫(Li-S)電池中的硫利用率和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。然而，材料合成的高復(fù)雜性/成本以及將納米材料加工成大質(zhì)量負(fù)載電極的難度仍然是發(fā)展低成本和高能鋰硫電池的重要障礙。

美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室Dongping Lu等報(bào)道了一種通用且可擴(kuò)展的合成方法來制備氮摻雜的二次碳顆粒。

圖1. 材料合成及表征

具體而言，采用含氮前驅(qū)體作為整合試劑（PMF），通過一步熱處理可將納米級科琴黑（KB）顆粒同時(shí)整合為微米級二級顆粒和氮摻雜（NKB）顆粒。以NKB材料為例，作者研究和討論了顆粒整合度對二次顆粒結(jié)構(gòu)、孔體積和連通性、硫負(fù)載能力和電池性能的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，PMF與KB的質(zhì)量比對二次NKB顆粒的結(jié)構(gòu)有重要影響，包括表面積、孔體積和連通性。Nano-CT 表征表明，NKB 中的硫分布取決于孔隙連通性：更好的連通性會(huì)促進(jìn)硫均勻滲透到介孔中，而較差的連通性則導(dǎo)致硫顆粒在介孔外沉積。此外，NKB中的硫分布對硫比容量和容量保持率有直接影響，即更高的碳表面和孔連通性促進(jìn)硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，具有更好的容量保持率。

圖2. 不同電極的Nano-CT表征及電化學(xué)性能

結(jié)果，合成的NKB/S成功地用于高負(fù)載硫電極的制造，并在硫負(fù)載量為4至7mg cm^-2的情況下提供了約1100 mAh g^-1的恒定高比容量。此外，將NKB/S孔隙率從80%降低到50%對硫利用率影響不大，但顯著提高了電極體積能。低孔隙率下較差的容量保持率揭示了在集成低孔隙率電極以進(jìn)行實(shí)用Li-S電池開發(fā)時(shí)的新挑戰(zhàn)。

因此，設(shè)計(jì)滿足致密電極要求的最佳材料和電極結(jié)構(gòu)將是開發(fā)實(shí)用Li-S電池的關(guān)鍵一步。最后，作者通過大面積電極涂層和軟包電池制備驗(yàn)證了NKB/S材料的可行性。采用NKB/S硫正極以2.9 mL g^-1的E/S比組裝了1.6 Ah軟包電池，它提供了約250 Wh kg^-1的電池級比能量，證明了NKB/S的實(shí)用性。

圖3. 實(shí)用Li-S電池及軟包電池性能

Rationalizing Nitrogen-doped Secondary Carbon Particles for Practical Lithium-Sulfur Batteries. Nano Energy 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107794