详解高循环性能的含氧碳硫复合物在锂离子电池和钠电池中的应用

锂离子电池已经被广泛应用于可移动电子设备中。近年来，由于电动汽车和智能电网的兴起，传统锂离子电池的能量密度已经不能满足人们的需求。越来越多的科研工作者开始寻找和研究高能量密度的电极材料。其中，硫作为目前比容量最高的锂离子电池正极材料，具有生产成本低廉，毒性低，容量高和能量密度高的优点，引起了锂电工作者们极大的研究兴趣。然而，锂硫电池也面对着三个无法防止的挑战：（1）硫的电导率很低，极大的降低了锂硫电池的功率密度和硫的利用率；（2）多硫化物中间体的溶解和不可逆反应导致了锂硫电池的容量衰减；（3）硫在嵌锂和脱锂过程中引起的较大的体积变化会破坏硫电极结构的完整性，并导致容量衰减。针对这三个挑战，马里兰大学王春生教授课题组进行了深入而细致的研究，显著地提高了硫电极的循环稳定性和倍率性能。

在目前提高硫电极电化学性能的各种方法中，碳包覆被认为是最有效的方法之一。同时，碳材料生产成本低廉，电导率高，而且可以抑制多硫化物的溶解和克服体积膨胀引起的结构破坏。然而，仅仅依靠物理的包覆很难防止多硫化物的溶解和实现较长的循环稳定性。为了进一步解决这些问题，首次使用了含氧的碳材料来抑制多硫化物的溶解和副反应。碳材料中的含氧基团能和硫形成化学键，从而稳定硫电极。该含氧的碳硫复合物在锂离子电池中能稳定循环2000次，并保持平均每周充放电循环容量损失仅为0.0045%。这代表了目前稳定性最好的碳硫复合物正极材料之一。在研究过程中，该团队发现，在开始的几个循环周期将碳硫复合物嵌锂到0.6伏能显著提高电池的可逆容量。这是由于深度嵌锂能活化原本没有电化学活性的硫，使被硫氧键稳定的硫出现电化学活性。该含氧的碳硫复合物在钠硫电池中也表现出优异的电化学性能。因此，该成果表明含氧基团稳定的碳硫复合物是非常有应用潜力的锂离子电池和钠电池正极材料。