滚筒状孢子碳球定向石墨烯纤维，用于锂硫电池

1成果简介

　　能量密度大、重量轻、机械强度高的柔性电池被视为便携式电子产品的迫切目标。本文，浙江大学Jiancang Zhou、夏新辉 研究员、浙江理工大学沈盛慧 特聘副教授等在《ACS Nano》期刊发表名为“Roller-like Spore Carbon Sphere-Orientated Graphene Fibers Prepared via Rheological Engineering for Lithium Sulfur Batteries”的论文，研究提出首次通过流变工程提出了含有滚筒状定向孢子碳球的独立式石墨烯纤维电极。借助定向微流体共纺技术和等离子体还原方法，孢子碳球自组装并定向分散成无数石墨烯薄片，形成内部富含滚动编织结构的石墨烯纤维电极，不仅增强了活性材料之间的电接触，还有效提高了石墨烯纤维电极的机械强度和结构稳定性。

　　当设计的石墨烯纤维与活性硫阴极和锂金属阳极相结合时，组装后的柔性锂硫电池具有优越的电化学性能、高容量（>1000 mA h g-1）和出色的循环寿命以及良好的机械性能。根据密度泛函理论和 COMSOL 仿真，辊状孢子碳球取向的石墨烯纤维宿主对可溶性多硫化物具有强化的捕获-催化-转化行为，对金属锂具有成核活性位点，从而协同抑制了阴极侧多硫化物的穿梭效应和阳极侧锂枝晶的生长，从而提高了锂硫电池的整体电化学性能。

2图文导读

图1.（a） SC/GO 的合成示意图。（b） GO 和 （c，d） SC/GO 的 SEM 图像。（e） rGO 和 SC/rGO 的电子电导率。（f） rGO 和 SC/rGO 中电子传导和离子传输的示意图。（g） COMSOL Multiphysics 对 SC/GO 电位分布的仿真。（h） rGO 和 SC/rGO 的典型应力-应变曲线。（i） SC/rGO 50 次拉伸循环下的应力保持和应力-应变曲线。（j） 不同外部变形下 PPy@S/rGOs 的数码照片。

图2.（a） SC@TiC 合成示意图。（b） SEM、（c） TEM 和 （d） SC@TiC 的 EDS 图像。（e） 原理图制造过程。（f） XRD 图谱和 （g） SC@TiC/rGO-S 的 SEM 图像。

图3.多硫化物对 （a） rGO、（b） SC/rGO 和 （c） SC@TiC/rGO 的吸附和催化机制。（d） rGO-S 、 SC/rGO-S 和 SC@TiC/rGO-S 的 CV 曲线。CV 曲线中 （e） R2 还原峰和 （f） O2 氧化峰的 LSV 曲线。CV 曲线中 （g） R2 还原峰和 （h） O2 氧化峰得出的 Tafel 图。rGO-S、SC/rGO-S 和 SC@TiC/rGO-S 电极的 （i） 奈奎斯特图（和插图中的等效电路图）、（j） 倍率性能和 （k） 循环性能。

图4. Polysulfide immobilization kinetics and catalytic conversion procedure on (a) TiC (100) and (b) carbon surfaces. (c) Adsorption energy plots on TiC (100) and carbon surfaces. (d) UV–visible absorption spectra of the Li2S6 electrolyte. (e) Free energy plots of Li2Sx/S8 conversion reactions. (f,g) Optimized adsorption configurations of Li2S on the surface of TiC. (h) Energy profiles of the decompositions of the Li2S cluster on TiC and C.

图5. Precipitation profiles of Li2S on (a) rGO, (b) SC/rGO, and (c) SC@TiC/rGO. The corresponding SEM images of Li2S precipitation on (d) rGO, (e) SC/rGO, and (f) SC@TiC/rGO. The growth models from the Li2S precipitation profiles on (g) rGO, (h) SC/rGO, and (i) SC@TiC/rGO. GITT profiles of (j) rGO, (k) SC/rGO, and (l) SC@TiC/rGO electrodes.

图6. 铜箔和 SC@TiC/rGO 在 COMSOL Multiphysics 仿真中的模拟结果。(c) SC@TiC/rGO 的扫描电镜图像。(d) SC@TiC/rGO/Li 的俯视图和截面图。对称电池的电化学性能：（f）速率性能和（g）电静态循环。(h) SC@TiC/rGO-S∥∥SC@TiC/rGO/Li 电池的完整电池模型和循环性能。

3小结

总之，我们开发了一种结合等离子体法的简便微流体组装技术，制备出了由孢子碳球和石墨烯片组成的具有滚筒结构的自支撑石墨烯纤维。研究发现，与纯 rGO 溶液相比，孢子碳球和 rGO 片材之间的相互作用增加了剪切粘度和流变行为，使复合纤维具有更高的导电性和机械性能。DFT 模拟和实验分析表明，这种多元结构为可溶性中间多硫化物提供了积极的物理和化学协同限制，并为硫阴极中的快速氧化还原反应提供了高效催化作用。此外，它们还能为金属锂提供均匀分布的成核点，从而有效抑制锂枝晶的生长。得益于这些优势，所设计的 SC@TiC/rGO-S∥∥SC@TiC/rGO/Li 全电池与同类电池相比显示出更优越的电化学性能。我们的研究为开发现代电子领域应用的先进电源电极材料提出了一种前景广阔的方法。

文献：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c07864

来源：材料分析与应用