新型多功能碳載體的設(shè)計(jì)與開發(fā)是當(dāng)前高性能鋰硫電池正極研究的熱點(diǎn)方向。近年來，聚合物衍生的多功能碳載體材料受到了廣泛關(guān)注。以聚合物為前驅(qū)體制備多功能碳材料的策略，具有前驅(qū)體來源廣泛、所得碳材料結(jié)構(gòu)和性能可調(diào)以及易于大規(guī)模生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在鋰硫電池正極材料中得到了廣泛的研究。

近日，廣東省科學(xué)院化工研究所龐浩研究員團(tuán)隊(duì)以聚酰亞胺（PI）為前驅(qū)體，采用簡單的原位聚合-碳化法，在商業(yè)化的碳布表面生成了N、O共摻雜的多孔碳納米片，制備得到具有優(yōu)異吸附-催化活性、電子/離子傳輸性能和柔韌性能的多功能碳載體材料（NOCC），進(jìn)一步負(fù)載硫單質(zhì)，得到電化學(xué)性能優(yōu)異的自支撐硫正極NOCC@S（圖1）。

圖1 柔性自支撐的NOCC@S鋰硫電池正極的制備過程示意圖

實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果證明，NOCC一方面具有均勻分布的吸附和催化活性位點(diǎn)，能有效錨定多硫化鋰并催化其快速轉(zhuǎn)化；另一方面，NOCC還具有極高的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率。因此，NOCC@S正極能夠?qū)崿F(xiàn)快速的硫氧化還原反應(yīng)動力學(xué)過程，且多硫化鋰的“穿梭效應(yīng)”問題能得到有效抑制，最終大幅提升了鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。結(jié)果顯示（圖2），NOCC@S正極倍率性能達(dá)到5 C（～538 mAh g-1）；在0.2 C電流密度下首次放電比容量高達(dá)1661 mAh g-1（接近硫的理論放電比容量1665 mAh g-1）；在1 C電流密度下循環(huán)300次后，容量保持率高達(dá)82%以上，在2 C高電流密度下循環(huán)700次后，其放電比容量仍可達(dá)485 mAh g-1。上述研究為高性能鋰硫電池正極材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了新策略。

圖2 柔性自支撐的NOCC@S鋰硫電池正極的充放電性能

相關(guān)研究成果發(fā)表于儲能領(lǐng)域國際權(quán)威期刊Journal of Power Sources，化工所與華南師范大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生洪烙標(biāo)和化工所吳煉副研究員為論文的共同第一作者，化工所龐浩研究員和華南師范大學(xué)石光教授、王玉海副教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了廣東省科學(xué)院建設(shè)國內(nèi)一流研究機(jī)構(gòu)行動專項(xiàng)基金、廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金及廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

論文信息：Luobiao Hong, Lian Wu, Shuhang Li, Zhinan Zhang, Xue Chen, Yingkang Ma, Yuhai Wang, Guang Shi, Hao Pang, N, O co-doped carbon nanoflakes decorated carbon cloth as flexible self-supported sulfur host for lithium-sulfur batteries, Journal of Power Sources, Volume 633, 2025, 236446, ISSN 0378-7753, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2025.236446

供稿：省科學(xué)院化工所

撰稿：吳煉

審稿：黃丹?王飛?劉婉玉

校稿：徐超?肖捷?章震