蘇州大學趙曉輝J. Energy Chem.：Co10-SPAN-CNT的制備及其在鋰硫電池中的應用

DOI: 10.1016/j.jechem.2021.01.012

硫化聚丙烯腈（SPAN）是鋰硫（Li-S）電池的一類獨特的正極材料，它消除了碳酸鹽基電解質中的多硫化物穿梭問題。然而，由于SPAN的化學鍵合和有機性質，活性質量百分比和倍率性能是阻礙其最終在實驗室外部署的兩個瓶頸問題。在本工作中，研究者利用多變量靜電紡絲技術制備了一種獨立式SPAN納米纖維正極，將導電碳納米管和原子分散的Co中心嵌入其中，以期賦予SPAN電荷導電性和催化活性，從而最大限度地提高S轉化的氧化還原動力學。盡管CNTs可以顯著增強纖維的導電性并產生介孔孔隙率，以促進電荷和質量傳輸，但Co-N4S基序交聯SPAN則產生額外的電荷傳導途徑，并進一步充當催化活性位點以加速氧化還原S的轉化。結果表明，所制備的纖維電極獲得了優異的Li-SPAN性能，在0.2C下的比容量高達1856 mAh g-1，倍率性能高達10C，在1C下具有長達1500次循環的超長電池壽命。因此，該研究提供了對配位化學的新見解，通過確保從SPAN到Li2S的更完全的氧化還原轉化來最大限度地利用硫，反之亦然。

圖1.Co10-SPAN-CNT的形態和微觀結構。（a）FE-SEM和（b）HRTEM圖像；（c）高倍放大HR-TEM和相應的SAED圖譜（插圖）；（d）HADDF-STEM圖像，以及（e-h）C（紅色），N（藍色），S（黃色）和Co（綠色）的相應EDX映射。

圖2.Co10-SPAN-CNT的XPS光譜。（a）C1s，（b）N1s，（c）S2p和（d）Co2p3/2。

圖3.Co10-SPAN-CNT的XAFS光譜和結構模型。（a）Co K邊緣的XANES，（b）FT-EXAFS光譜，以及（c）基于Co-N4S配位結構擬合FT-EXAFS。（d）Co10-SPAN-CNT的交聯結構。

圖4.Co10-SPAN-CNT在Li-SPAN電池中的電化學性能。（a）Co10-SPAN-CNT在0.2C下進行前100個循環的放電/充電曲線；（b）不同SPAN復合材料在0.2C下的循環性能；（c）Co10-SPAN-CNT和SPAN-CNT的倍率性能和（d）EIS光譜；（e）Co10-SPAN-CNT在1C下的長期循環性能。

圖5.前4個循環中SPAN-CNT和Co10-SPAN-CNT的連續CV曲線。（a）SPAN-CNT；（b）Co10-SPAN-CNT；（c，d）放大了1.4V左右的CV曲線。

圖6.不同氧化還原狀態下Co10-SPAN-CNT的非原位FT-IR光譜。

圖7.第三次放電和充電循環后，Co10-SPAN-CNT正極的非原位XPS光譜。（a）C1s；（b）N1s；（c）S2p；（d）Co2p3/2。