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具有高理論能量密度、低成本和環境友好等優點，鋰硫（Li-S）電池成為下一代儲能裝置有望的候選者。然而，高硫負載條件下容量快速衰減限制了Li-S電池實際應用。因此，如何構建高容量和循環性能穩定的具有高硫負載正極是Li-S電池的重要發展方向。設計具有特殊結構的電極材料十分必要。核殼結構能夠充分利用其核心和外殼各自的優點廣泛應用于許多研究領域，例如能量轉換和儲存，催化和藥物控釋。更重要的是，空心殼可以為內芯提供保護空間，作為電極材料時，可以緩沖充放電過程中的體積膨脹。設計核殼結構是提高高硫負載Li-S電池性能的有效途徑，但是目前核殼結構很少應用于自支撐碳/硫正極材料。
近日，廈門大學方曉亮副教授課題組在國際著名期刊Nano Energy上發表了題目為“Fiber network composed of interconnected yolk-shell carbon nanospheres for high-performance lithium-sulfur batteries”的論文。該研究開發了一種簡便的靜電紡絲方法，用于合成互連的核殼結構碳納米球組裝纖維網，以構建自支撐硫正極材料。受益于高表面積、氮原子摻雜以及核與殼之間的協同作用，核-殼碳纖維有望成為高硫負載Li-S電池的硫主體材料。含有70wt％和4 mg cm-2的硫，核-殼碳纖維網衍生的自支撐正極在1C電流密度下循環500次后表現出82.8％的高容量保持率。因此，這項工作為開發高性能Li-S電池的提供了新策略。
圖1 靜電紡絲制造核-殼碳纖維網的示意圖。
圖2. (a，b) BCN@HCS薄膜的光學照片。(c) BCN@HCS薄膜截面SEM圖像。(d~g) BCN@HCS纖維的SEM圖像。(h，i) BCN@HCS纖維TEM圖像。HCS纖維的 (j) SEM圖像和 (k) TEM圖像。BCN顆粒的 (L) SEM圖像和 (m) TEM圖像。
圖3. (a) N2吸附等溫線和 (b) BCN@HCS，HCS和BCN的孔徑分布，BCN@HCS的 (c) XPS光譜和 (d) N 1s XPS光譜。
圖4. 具有70wt％硫的BCN@HCS/S復合物的表征：(a，b) SEM圖像，(c) EDX光譜，(d) TGA曲線，(e，f) TEM圖像，(g) STEM圖像和相應的元素分布。
圖5. (a~d) 0.2 C時的放電/充電曲線：(a) BCN@HCS/S-70正極，(b) BCN/S-64正極，(c) HCS/S-70正極，和(d) BCN+HCS/S-66正極。(e) 在0.2C下的四個正極的循環性能。(f) 四個正極阻抗圖。(g~j) 100次循環后Li負極的SEM圖像：(g)BCN@HCS/S-70電池，(h) BCN/S-64電池，(i) BCN+HCS/S-66電池和(j) HCS/S-70電池。
圖6. (a) 不同密度下BCN@HCS/S-70正極的充電/放電曲線。(b) BCN@HCS/S-70正極的倍率性能。(c) BCN@HCS/S正極在1C下的長周期循環性能。(d) BCN@HCS/S-70正極在1C下的充電/放電曲線。(e) BCN@HCS/S-70在8、12和16 mg cm-2硫負載量1C下的循環性能。(f) 在0.1C電池密度16mg cm-2硫負載量下，BCN@HCS/S-70正極的充電/放電曲線。
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