Carbon Energy：基于高负载Li2S正极（15mg/cm2）的锂硫电池

要实现具有高能量密度和长寿命的硫化锂（Li₂S）正极，需要创新的正极设计以使电化学性能最大化，并防止电极老化。

汉阳大学Yang-Kook Sun等开发了一种基于Li₂S的高负载正极（15 mg cm^-2），它由微米级Li₂S颗粒、二维石墨烯（Gr）和一维碳纳米管（CNTs）组成，并强调了CNTs在高容量Li-S电池稳定循环中的关键作用。

图1. Li₂S/Gr/CNT正极的表征

研究显示，Gr的平面形态允许与大块Li₂S的大面积接触，从而诱导Li₂S的轻松活化，而CNT形成的导电网络在长时间的循环中保持了均匀、容易的反应。此外，正极的紧凑几何形状使得碳基体和活性材料之间能够紧密接触。

结果，与以前报道的基于Li₂S的Li-S电池相比，采用紧凑型Li₂S/Gr/CNT正极的半电池和Li-S全电池显示出前所未有的高容量和循环寿命。

值得注意的是，这项工作在紧凑型Li₂S/Gr/CNT正极中观察到了首次充电时的直接转换反应（从Li₂S到S₈），并使用原位技术和低温TEM进行了研究。

研究显示，在紧凑型Li₂S/Gr/CNT正极中，高导电性的碳基体、电极的紧凑几何形状、高度变形的亚稳态Li₂S（在高压造粒过程中形成）以及这种独特的直接转化反应都有助于Li₂S的有效活化。

图2. 紧凑型Li₂S/Gr/CNT正极在Li-S电池中的电化学性能

因此，即使在贫电解液条件下（电解液与Li₂S的重量比为7 µL mg^-1），所得正极也显示出超高的电化学活性，在0.2 C时的实际面积容量为~9.7 mAh cm^-2。

此外，该复合正极表现出前所未有的电化学特性，即使是在10 mg cm^-2的高Li₂S负载下，特别是，与石墨负极结合的实用和安全Li-S全电池显示出超过800次的超长期循环稳定性。

相信基于Li₂S的Li-S电池的优势，可以避免与锂金属负极的安全隐患有关的问题，将有效加速Li-S电池的实际应用。

图3. 使用紧凑型Li₂S/Gr/CNT正极的软包半电池和Li-S全电池的性能

Long-lasting, reinforced electrical networking in a high-loading Li2S cathode for high-performance lithium–sulfur batteries. Carbon Energy 2023. DOI: 10.1002/cey2.308

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