第一作者：Yingyi Huang
通讯作者：Mahdokht Shaibani, Matthew Roland Hill, Mainak Majumder
通讯单位：莫纳什大学
【文章简介】
锂硫电池（Li-S）具有高安全性、低成本和高能量密度等优势，是一种可持续的能源储存技术，然而，在使用低电解质/S载量（E/S）比例用来满足Li-S电池高能量密度的同时也会降低其循环寿命，构建三维（3D）结构的S正极可以同时实现高能量密度，但组建> 300 Wh kg 1能量密度的软包电池仍极具挑战。
有鉴于此，莫纳什大学Mahdokht Shaibani，Matthew Roland Hill和Mainak Majumder等人设计合成了表面富含负电荷的介孔纤维素纳米纤维（CNFs）作为S正极的载体和集流体，CNFs是通过2,2,6,6-四甲基吡啶-1-氧基（TEMPO）介导的氧化法合成的，其含有极性羟基官能团，有利于Li+的迁移，并且，为了进一步满足Li-S软包电池应用，作者在CNFs基础上进一步合成了高度羧基化的CNFs，其均匀分布的低宽高比和自然分层排列的特点可有效分散颗粒，确保实现均匀的表面光整度和高负载但致密的电极，从而有效促进电子传导，该CNFs具有高达16 mg cm 2的S负载量以及21 mAh cm 2的实际容量，所制备的软包电池的比能量和体积能量密度分别高达330 Wh kg 1和480 Wh L 1，可以稳定驱动无人机10 min，展示其实用化的能力。相关成果以题为“Sulfur Cathodes with Self-Organized Cellulose Nanofbers in Stable Ah-Level, >300 Wh kg 1 Lithium-Sulfur Cells”发表在国际顶级期刊Adv. Energy Mater. 上。
【图文详情】
- S正极与高度羧基化CNFs的自组装
图1. CNFs和S正极的偏振光显微镜图像和示意图。a）自构CNF电极的形成示意图；b）羧基化CNFs的偏振光图像，呈现粗和长纤维的双折射区；c）含有适度羧基化CNFs的正极料浆偏振光图像和d）其示意图；e）高度羧基化CNF的偏振光图像，呈现分离和短纤维的双折射区；f）含有高度羧基化CNFs的正极浆料偏振光图像和g）其原理图；在浓度为h）3.3 mg mL 1，i）33.3 mg mL 1和j）333.3 mg mL 1时高度羧基化CNF正极浆料的偏振光图像。
为了设计一个具有均匀表面光滑度、强机械性能以及优化的孔隙度正极，研究人员通过TEMPO盐氧化天然纤维素合成羧基化的CNF（图1a），高负电荷的CNF表面可以使其有效分散在水中，作者首先对适度羧基化（1.2 mmol g 1 COO ）的CNF进行光学偏振显微镜表征，如图1b，可以看到长度100-200μm和宽度为20-50μm的高亮度区域，对应CNF的各向异性自组装，偏振显微图像也表明由10 wt% CNFs，70 wt% S和20 wt% C组成的正极浆料未出现双折射结构（图1c），C和S颗粒填充和堵塞CNFs多余的孔容（图1d），对比之下，经TEMPO盐处理得到的高度羧基化（2 mmol g 1 COO ）的CNFs具有更小的亮度区域，长和宽度的范围分别为30-50 μm和10-20 μm（图1e），图1f，g表明在电极厚度方向上形成了致密排列的结构。
作者进一步研究不同浓度CNF对其本身自组装能力的影响，当浓度较低时，自组装能力较弱，偏振显微图像出现暗区域（各向同性），当浓度增加至悬浮状，其倾向形成液晶结构（图1h-j），这种结构使得悬浮液容易在剪切力作用下发生变形，从而形成均匀的包覆层以及排列结构。
2. 自组装CNF电极的形貌和结构
图2. 不同载体（CMC&CNF）负载S正极的形貌和结构。
为了体现CNF电极独特的形貌和结构，作者选取常见的S正极粘结剂CMC作为对比样，3D轮廓仪图像以及扫描电子显微（SEM）图像共同证实CMC电极具有粗糙的表面和颗粒聚集（图2a-c），而CNF电极具有更低的表面粗糙度以及C和S颗粒的均匀分布（
