中国地质大学：N掺杂碳气凝胶作为锂硫电池的正极材料

成果简介

本文，中国地质大学杨华明教授课题组等在《New J. Chem》期刊发表名为“A diatomite-derived N-doped carbon aerogel with 98% sulfur loading for the enhancement of Li–S battery performance”的论文，研究合成了一种N掺杂的碳气凝胶作为锂硫电池的正极材料。以硅藻土矿物为基体模板，利用其表面特性，将PDA均匀地包裹起来，在高温下煅烧，并去除模板，得到了具有多孔 "圆盘 "形状的碳材料。这种阴极材料具有极其优异的速率性能，在4C的高电流密度下也能保持467.5 mAh g-1。循环结束后，它仍能在0.2C下保持691.2 mAh g-1，并保持稳定。掺N的碳气凝胶是超轻的，提供98wt%的超高硫含量，远远高于其他碳材料的报道。这大大提高了电池的整体能量密度。

此外，CPDA/DT气凝胶有大量的N掺杂位点，可以与多硫化物相互作用，抑制了多硫化物的穿梭。由于CPDA/DT具有多孔结构和内部空间，它可以提供机械应力，减少硫体的体积膨胀，并提供电子传输位点，以提高阴极材料的整体循环性能。然而，传统的碳材料不能通过模板形成许多均匀的缺陷，这限制了其导电性。此外，传统的碳纳米球与硫的接触很少，不能提供一个内部空腔，使硫磺均匀地分布在正极中。在高电流密度下，由于导电性的原因，很难参与反应，这限制了锂硫电池正极的商业发展。这种多孔 "圆盘 "碳气凝胶是一种基质导电骨架材料，具有超轻的重量和良好的导电性，为设计和构建性能优良的正极材料和未来锂硫电池的商业化提供了一种新方法。

图文导读

图1.（a）硅藻土的SEM图像，（b）和（c）CPDA/DT的SEM图像，（d）和（e）CPDA/DT的AC-HADDF-STEM图像，以及（f）CPDA/DT@S正极材料的合成方案。

图2. (a) CPDA/DT和CPDA的相应的典型拉曼光谱 (b) CPDA/DT和CPDA的XPS光谱 (c) CPDA/DT的XPS光谱的C 1s和(d) N1s。

图3 .(a)CPDA/DT@S和CPDA@S的CV曲线，(b)CPDA/DT@S在第一至第五周期的CV曲线。(c)是具有CPDA/DT和SuperP与Li2S6的对称电池的CV曲线。(d)和(e)是CPDA@S和CPDA/DT@S在扫描速率为0.1-0.8 mV s-1时的CV曲线，(f)是CPDA/DT@S和CPDA@S的锂离子扩散系数计算结果的统计图。

图4.（a）CPDA在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和4C下的速率能力/DT@S和CPDA@S阴极（b）和（c）CPDA/DT@S和CPDA@S阴极不同速率下的电压-容量曲线（d）CPDA/DT@S和CPDA@S阴极的电化学阻抗光谱（e）CPDA/DT@S（98%）、CPDA@S（98%和70%）和纯S阴极在0.5C下的长期循环。

文献：

• DOI
• https://doi.org/10.1039/D2NJ05444B