近年来，随着各种可卷绕式显示屏的问世以及电子衬衫和可卷屏手机等柔性电子器件概念的提出，柔性电子技术引起了越来越多的科研工作者的关注。在众多的电化学储能体系中，锂硫电池具有极高的理论比容量，是很有应用前景的新一代二次电池。如果可以实现锂硫电池的柔性化，将会减轻相应电子器件的重量从而极大地促进柔性电子技术的发展。近日，华南理工大学的刘军教授、朱敏教授以及中国科学技术大学的余彦教授通过在碳纤维上生长MOF阵列，并经过进一步的处理，得到了一种新型柔性自支撑硫正极，并且通过原位XRD技术以及理论计算来进一步对该材料进行研究。
图1 a）CC@CoP/C-S正极的合成示意图。SEM图像：b）CC@Co-MOF; c）CC@Co/C; d）CC@C; e）CC@Co/C的XRD图谱。
目前锂硫电池主要面临着以下三大问题：电活性物质硫及反应产物硫化锂低的电导率，反应过程中产生的多硫化物具有“穿梭效应”以及反应前后体积膨胀等问题。针对以上问题，上述团队设计合成了一种新型的柔性自支撑硫正极（CC@CoP/C-S）,该正极材料由活性物质硫、柔性的碳布以及负载有CoP的碳纳米阵列组成。基于这种合理而独特的设计，CC@CoP/C-S在实现高性能锂硫电池方面具有三大优势：首先，碳布基体和碳纳米阵列构成3D导电网络具有良好的导电性；其次，这种巧妙的结构可以实现对多硫化物的物理和化学的双功能协同吸附作用，且嵌入的CoP纳米颗粒可以催化多硫化物的还原，从而提高S的利用率；第三，碳纳米片阵列间具有大空隙不仅提高了硫的载量，而且有效地缓冲了反应程中的体积膨胀。基于这些独特的设计，CC@CoP/C-S表现出了优异的电化学性能，在2C电流下，600次循环后仍能保持较大的比容量(833 mAh g-1)，容量衰减率仅为每周0.016 %。
图2 CC@CoP/C-S正极材料a）在第1，第2，第5圈的循环伏安曲线；b）在不同放电和充电状态下的原位XRD图谱；c）放电-充电曲线；d）在0.1 C下的充放电曲线。 CC@C-S，CC@Co/C-S，CC@CoP/C-S三种正极材料e）在0.1 C下的循环性能；f）倍率性能；g）在1.0 C下的循环性能。h）CC@CoP/C-S正极材料在2.0 C下的循环性能。
为了进一步验证CC@CoP/C-S材料的柔性，作者还进行了软包电池的组装与测试。当该软包电池被弯曲/折叠各种不同角度时，其仍然可以保持正常的工作状态。在后续0.1C电流密度下循环50圈，仍保持有800 mA h g-1的比容量。由此可以看出，CC@CoP/C-S正极材料展现出了优异的柔韧性以及电化学性能，为实现柔性锂硫电池提供了一种新型的策略。
图3 a-f）Li//CC@CoP/C-S软包电池的实物图。 g）软包电池的示意图。 h）具有3.4 mg cm-2高硫负载量的软包电池在0.1 C下的循环性能。
这一成果近期发表在Advanced Materials上，文章的第一作者是华南理工大学博士研究生王卓森。
来源：X-MOL
