锂离子电池是电动汽车等环保技术所不可或缺的。 尽管锂离子电池受限于低储能能力和高成本，但由于其高能量密度和作为材料的硫的低成本，已作为下一代电池备受关注。 然而，由于快速充电过程中硫的利用率不足，降低了电池容量，因此商业化一直面临挑战。 另一个问题是放电过程中产生的多硫化锂。 这些化合物会在电池内迁移，从而降低电池的性能。
为了解决这个问题，研究人员一直在开发将硫融入多孔碳结构的电池。 为了解决这些难题，DGIST 团队的 Jong-sung Yu 教授合成了一种掺氮的新型高石墨化多孔碳材料，并将其应用于锂硫电池的阴极。 这项技术即使在快速充电条件下也能成功保持高能量容量。 这项研究发表在 ACS Nano 杂志上。
新开发的碳材料是通过热还原法合成的，其中涉及镁和金属有机框架 ZIF-8。 在高温下，镁与 ZIF-8 中的氮发生反应，使碳结构变得更加稳定和坚固，同时形成了多样化的孔隙结构。 这种结构不仅能提高硫的负载量，还能改善硫与电解质之间的接触，从而显著提高电池性能。 本研究开发的锂硫电池利用了通过简单的镁辅助热还原法合成的多功能碳材料作为硫宿主。 即使在快速充电条件下，完全充电时间仅为 12 分钟，该电池也能达到 705 mAh g-1 的高容量，比传统电池提高了 1.6 倍。 此外，碳表面的氮掺杂有效抑制了多硫化锂的迁移，使电池在 1000 次充放电循环后仍能保持 82% 的容量，表现出卓越的稳定性。 在研究过程中，由阿贡国家实验室 Khalil Amine 博士领导的合作团队进行了先进的显微分析。 这些分析证实，硫化锂（Li?S）是在新开发的碳材料的层状结构中以特定取向形成的。 这一发现验证了氮掺杂和多孔碳结构增强了硫的负载，而碳的石墨化性质加速了硫反应，从而提高了充电速度。 于教授说："这项研究的重点是利用镁的简单合成方法提高锂硫电池的充电速度。 我们希望这项研究能加快锂硫电池的商业化进程。
原文链接：: Jeong-Hoon Yu et al, Tailoring-Orientated Deposition of Li2S for Extreme Fast-Charging Lithium–Sulfur Batteries, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c09892
