隨著移動(dòng)電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)及可再生能源的飛速發(fā)展，對(duì)高容量電池的需求日益迫切，新型高能量密度電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)受到高度關(guān)注。鋰硫電池具有很高的理論比容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600Wh kg-1），同時(shí)由于硫單質(zhì)具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，被視為最有發(fā)展前景的下一代高能量電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)之一。然而基于多電子反應(yīng)的鋰硫電池，其反應(yīng)復(fù)雜性決定了在充放電過(guò)程中，會(huì)形成可溶于電解液的多硫中間產(chǎn)物，產(chǎn)生“穿梭效應(yīng)”，造成不可逆容量損失，同時(shí)由于硫的導(dǎo)電性差，導(dǎo)致了硫正極的循環(huán)壽命短、容量衰減快等技術(shù)瓶頸。
碳材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、豐富的孔結(jié)構(gòu)和極高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此發(fā)展碳/硫復(fù)合電極材料被認(rèn)為是提高鋰硫電池性能的有效途徑之一。然而，多數(shù)研究工作中報(bào)導(dǎo)的碳/硫復(fù)合電極中，硫的面密度比較低（小于2 mg cm-2），從而導(dǎo)致碳/硫復(fù)合電極較低的面容量，甚至低于商用鋰離子電池4.0 mAh cm-2的水平，而嚴(yán)重制約了鋰硫電池的實(shí)用化進(jìn)程。
最近，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所先進(jìn)炭材料研究部以天然棉花為前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)高溫碳化，制備出具有高導(dǎo)電性的三維空心碳纖維泡沫，然后將硫/多壁碳納米管/炭黑納米團(tuán)簇填充在纖維空隙間，獲得了硫的面密度最高可達(dá)21.2 mg cm-2的三維空心碳纖維泡沫硫正極。該碳/硫復(fù)合電極可提供兼具短程和長(zhǎng)程的多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)較高的硫利用率。同時(shí)該工作提出了抑制“穿梭效應(yīng)”的一個(gè)新思路：利用空心碳纖維泡沫對(duì)電解液超高的吸液率，使其在吸收電解液的同時(shí)，也將溶于電解液的多硫化物限制在正極區(qū)域，阻止了多硫化物向負(fù)極的擴(kuò)散，從而有效抑制了“穿梭效應(yīng)”，保證了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。因此，硫面密度為21.2 mg cm-2的復(fù)合電極，具有高達(dá)23.32 mAh cm-2的初始面容量，在循環(huán)150次之后，可實(shí)現(xiàn)70%的容量保持率。該工作不僅展示了以天然物質(zhì)為原料制備高導(dǎo)電性碳材料的方法，并提出了抑制鋰硫電池“穿梭效應(yīng)”的新思路，為開(kāi)發(fā)高性能高面容量的鋰硫電池開(kāi)辟了新的途徑。
相關(guān)論文發(fā)表于Advanced Materials （DOI: 10.1002/adma.201506014）。
三維空心碳纖維泡沫照片，三維空心碳纖維泡沫與硫/多壁碳納米管/炭黑納米團(tuán)簇形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)SEM和XRM分析、示意圖及其電化學(xué)性能
