日前，中國科學院電工研究所研究員馬衍偉團隊設計開發(fā)出一種具有多級次微觀結構的新型石墨烯-多孔碳球復合納米材料。該碳復合材料兼具石墨烯納米片和多孔碳納米球的優(yōu)點，具有3182 m2 g-1的超高比表面積和1.93 cm3 g-1的大孔隙率。基于這種碳納米材料，電工所制備出了高性能鋰硫電池正極。
從微觀結構來看，這種碳復合材料以石墨烯納米片作為骨架，表面分散附著直徑約為200nm的碳球，其內部含有主要為1-3nm的多級次介微納米多孔結構，共同構成多級次的碳-碳復合納米結構（如下圖所示）。由于超高的比表面積和孔隙率，制備的碳硫復合正極即使在大的硫負載率（74.5%）下，仍可發(fā)揮1250 mAh g-1的比容量（0.2 C）。循環(huán)充放電100次后，仍可保持916 mAh g-1的比容量。在2C電流下循環(huán)充放電450次，容量保持率約為98%。這表明該研究提出的零維&二維多級次復合納米結構設計，發(fā)揮了石墨烯和多孔碳球的協(xié)同效應，有效地分散、限域硫正極，提高了電化學活性、避免了硫的穿梭效應，為開發(fā)高容量、長循環(huán)性能鋰硫電池以及其它儲能器件提供了新的思路。
該研究與北京科技大學教授趙海雷合作完成，相關結果發(fā)表在《材料化學》(Chemistry of Materials，2016, 28, 7864?7871)上。上述研究獲得國家自然科學基金委和電工所創(chuàng)新人才引進計劃的大力支持。
基于石墨烯多級次復合材料的碳硫正極結構示意圖以及電化學性能
論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.6b03365
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