固相转化硫正极是消除可溶性多硫化物中间体(LiPSs)和提高锂硫电池循环性能的有效策略。然而,由于硫的绝缘性质,实现这种具有高硫负载和高容量利用率的硫正极非常具有挑战性。武汉大学艾新平、李惠等提出了一种通过将硫封装在CMK-3碳的介孔通道中以形成同轴组装的硫/碳 (CA-S/C)复合材料,来实现固相转化硫正极的策略。图1 CA-S/C复合材料的制备过程及电化学反应机理示意图这种CA-S/C复合材料具有多种优点:1)CMK-3碳具有较大的内表面积和丰富的介孔通道,可实现75 wt%的高硫含量;2)CMK-3具有大的长径比和柔性互连的三维导电网络,有利于硫的高利用率;3)CMK-3的介孔通道提供了丰富的内部空隙以适应硫体积变化,从而增强硫正极的结构完整性和长期循环性。同时利用碳酸亚乙烯酯(VC)作为电解液助溶剂,可在初始放电开始时与新生成的多硫化物发生亲核反应,从而在CA-S/C复合材料表面原位形成致密的固体电解质界面(SEI),进而分离内部硫与外部电解液的直接接触。图2 CA-S/C正极在有和没有VC助溶剂的醚基电解液中的电化学行为比较得益于这种材料设计的独特性,CA-S/C正极可以在VC-醚共溶剂的电解液中以固相转化的方式运行,从而提供1667 mAh g-1的超高可逆容量(几乎与理论容量相同)、2.0 A g-1的优异倍率性能以及超过500次循环的出色长期循环性能,即使在高硫负载(75%,基于CA-S/C复合材料的重量)条件下。上述结果表明这种硫正极可能用于商业上可行的锂硫电池。图3 锂硫电池循环及倍率性能A Solid-Phase Conversion Sulfur Cathode with Full Capacity Utilization and Superior Cycle Stability for Lithium-Sulfur Batteries. Small 2022. DOI: 10.1002/smll.202106144