华南理工：纤维素纳米纤维衍生碳气凝胶，用于先进室温钠硫电池

成果简介

室温钠硫电池（RT/Na-S）由于其高能量密度、低成本以及地球上丰富的钠和硫储量，被认为是有前途的大型固定式储能系统。然而，多硫化物的扩散和转化反应的缓慢动力学仍然是其应用的主要挑战。本文，华南理工大学彭新文教授课题组在《Cabron Energy》期刊发表名为“Cellulose nanofiber-derived carbon aerogel for advanced room-temperature sodium–sulfur batteries”的论文，研究开发了一种轻质、多孔的三维 (3D) N,S 共掺杂纤维素纳米纤维衍生的碳气凝胶 (NSCA) 作为多功能隔膜，以抑制 RT/Na-S电池中NaPSs 的穿梭效应并提高氧化还原动力学。

在水热过程中，作为增强剂的氧化石墨烯（GO）和纤维素纳米纤维 (CNF) 组装成3D互连的多孔框架，并使用传统的造纸工艺将所制备的 NSCA 涂覆到GF膜上。分层多孔结构和良好的电子导电性使NSCA成为阻挡层和扩展集流体，从而提高了活性材料的利用率。同时，3D互连的石墨烯网络可以促进快速的电/离子传输和足够的电解质渗透。而且，密度泛函理论 (DFT) 计算和实验研究表明，碳骨架中的共掺杂N和S可以通过化学吸附增强多硫化物的锚定能力并加速多硫化物转化的氧化还原动力学。凭借这些有利的优势，基于NSCA@GF隔膜的RT/Na-S电池具有出色的电化学性能，包括高比容量、优异的循环稳定性、优异的倍率性能和长循环寿命。

图文导读

图1、NSCA的制备过程和形态特征的示意图

图2、NSCA复合材料和NSCA@GF隔板的表征

图2、多功能隔膜的多硫化物捕集能力

图4、具有 NSCA@GF隔膜的RT/Na-S电池的电化学性能

图5、多硫化物在NSCA上的吸附和转化

图6、NSCA与NaPSs/S 8的理论计算

小结

综上所述，本文构建了一种轻质多孔NSCA作为多功能隔膜，用于先进的 RT/Na-S电池。NSCA 的3D互连石墨烯框架提供了分层多孔结构、高电子导电性和有利的 N、S 共掺杂。NSCA 可以作为阻挡层和膨胀的集流体来增加硫的利用率，从而抑制穿梭效应并提高 NaPSs 的氧化还原动力学。在实验和 DFT 理论研究的基础上，NSCA 显示出优异的多硫化物锚定能力和多硫化物转化的快速反应动力学。结果，使用 NSCA@GF 隔膜组装的 Na-S 纽扣电池提供了高达 788.8 mAh g -1的可逆放电容量在 0.1C后100次循环和长期循环稳定性，在1C下超过 1000次循环后容量衰减率为 0.059% 的超低容量衰减率。本研究为开发多功能分离器提供了一个有前途的界面策略，以开发高性能RT/Na–S电池，应用于电网规模的固定式储能装置。

文献：

https://doi.org/10.1002/cey2.203