鋰硫電池以其極高的理論比容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600 Wh kg-1）在滿足便攜式設備、電動汽車和電網儲能系統日益增長的需求方面有著巨大的潛力，近幾年來引起了人們的極大關注。然而，單質硫及其放電產物（Li2S和Li2S2）的電子絕緣性、充放電過程中巨大體積變化、嚴重的穿梭效應以及鋰金屬負極的污染和腐蝕，這些因素都會導致硫利用率低（<80%）、循環壽命有限、容量衰減快和嚴重自放電的后果，制約了鋰硫電池的實際應用和商業化進程。因此，設計能有效固定多硫化物，避免其溶于電解液的載硫材料或夾層材料是提高鋰硫電池電化學性能的有效途徑。
近期，山東大學熊勝林教授和奚寶娟副教授團隊通過簡便、環境友好的“分步浸潤-碳化”的方法制備了Fe3O4納米顆粒嵌入還原石墨烯包覆的紙基自支撐復合材料，其在電化學測試中表現出優異的性能。
該團隊探索了一種以濾紙為骨架，通過毛細吸附和鉛筆涂覆合成的自支撐、多功能、分級多孔的鋰硫電極插層PC‖Fe3O4@rGO‖graphite，復合材料因其比表面積高、3D纖維交織網絡，分級多孔結構，較強極性、導電性好等優點，促進了吸附多硫化物并阻礙其擴散穿梭，有利于電解液的疏導及鋰離子和電子的快速傳輸，采用PC‖Fe3O4@rGO‖graphite作為插層，在不需要復雜合成過程或表面改性的情況下，使硫正極表現出高容量、長循環穩定性和超高倍率性能。
該論文“Loading Fe3O4?nanoparticles on paper-derived carbon scaffold toward advanced lithium–sulfur batteries”發表在Journal of Energy Chemistry 期刊上，第一作者為山東大學博士生韓建梅。
圖1. （A）多功能夾層PC‖Fe3O4@rGO‖graphite的合成示意圖，（B）帶有多功能夾層的電池內部結構示意圖
研究者首先利用毛細吸附作用把濾紙浸潤進檸檬酸鐵溶液中，經過石墨烯浸泡，8B鉛筆在紙的兩側涂覆上一層薄的石墨，煅燒后制備了PC‖Fe3O4@rGO‖graphite多功能夾層。
圖2. PC‖Fe3O4@rGO‖graphite的形貌和結構表征：（A-C）帶狀纖維表面不同放大倍數的FESEM圖像，（D，E）不同放大倍率的TEM圖像，（F）單個Fe3O4顆粒的HRTEM圖像，（G）典型Fe3O4@rGO片的HAADF-STEM圖像，（H，J）不同Fe3O4顆粒的HAADF-STEM圖像，（I，K）分別為 (H，J)中標記部分的高倍HAADF-STEM圖像，（L）STEM-EDX模式下Fe3O4@rGO片的元素分布，C（蔚藍）、Fe（紅色）和O（紫色）.
采用PC‖Fe3O4@rGO‖graphite作為插層，在不需要復雜合成過程或表面改性的情況下，硫正極表現出高容量、長循環穩定性和超高倍率性能。在1 C電流密度下，循環 500圈后可逆比容量為653 mA h g-1，在2 C、4 C、10 C電流密度下，循環500圈后可逆比容量分別為660，590和418 mA h g-1。即使在硫面載量高達8.05 mg cm-2時，在0.1 C電流密度下循環100圈，容量仍能保持在518 mA h g-1（4.17 mAh cm-2），容量保持率為第五圈的76.3%。
綜上所述，PC‖Fe3O4@rGO‖graphite復合材料，有利于吸附多硫化物并阻礙其擴散穿梭，能夠促進電解液的疏導及鋰離子/電子的快速傳輸。綠色高效的合成策略對于探索和應用新型多功能夾層有一定的啟發作用，也朝著先進鋰硫電池的應用邁出了一步。
Loading Fe3O4?nanoparticles on paper-derived carbon scaffold toward advanced lithium–sulfur batteries.
Jianmei Han, Qiang Fu, Baojuan Xi, Xuyan Ni, Chenglin Yan, Jinkui Feng, Shenglin Xiong.
J. Energy Chem., 2021, 52, 1-11.
DOI: 10.1016/j.jechem.2020.04.002
奚寶娟，副教授，博士生導師，課題組一直從事無機固體材料的化學研究，主要以儲能、光/電催化為導向對無機材料在納米尺度、微納結構方面進行晶體材料及其組裝結構的普適制備、選擇性合成進行方法學的探索，并且對材料在儲能和光/電催化應用方面開展基礎應用研究。近三年，以第一/通訊作者在Chem，Adv. Mater.，Nano Lett.，Adv. Energy Mater.，Chem. Mater.和J. Mater. Chem. A等刊物發表論文20余篇。
