尖晶石鐵酸鹽提升鋰硫電池的體積能量密度和循環穩定性

　　相比各種碳材料，過渡金屬氧化物不僅對多硫化物具有強的化學吸附能力，可有效抑制多硫化物的穿梭效應，改善硫電極循環性能。同時，過渡金屬氧化物本身高的密度有利于提高硫基復合正極材料的振實密度，有望實現硫電極的高質量比容量和高體積比容量。

相比于一維碳納米管(CNTs)，極性鐵酸鎳一維納米纖維復合材料具有更大的體積能量密度和更高的穩定性

　　基于這一設想，南開大學高學平課題組采用靜電紡絲技術制備出具有多孔中空結構的尖晶石鐵酸鎳一維納米纖維材料作為硫載體，以期重點實現的高體積比容量硫正極的研究目標。相關論文以“Sulfur/nickel ferrite composite as cathode with highvolumetric-capacity for lithium-sulfur battery”為題發表于Science China Materials, 2018, doi：10。1007/s40843-018-9292-7。

　　高學平教授表示：“鋰硫電池的理論能量密度按質量和體積計算分別為2600 Wh/kg和2800 Wh/L。如果實用化電池可實現理論能量密度的20%，鋰硫電池的質量能量密度將有望達500 Wh/kg，這是一個研發人員正在努力追求的目標。”

　　500 Wh/L的體積能量密度，早在若干年前就已經在商業化的鋰離子電池中得以實現，對鋰硫電池而言是則是其未來實用化的短板。研究人員介紹說：“主要原因是鋰離子電池采用金屬氧化物正極材料具有高的密度 (~4。5 g/cm3)，而硫單質的密度僅為2。07 g/cm3。此外，為改善硫電極電化學性能，通常將硫單質與輕質多孔碳材料或石墨烯復合，這勢必會進一步降低了硫正極的振實密度，也制約了鋰硫電池體積能量密度。”

　　該文通訊作者高學平教授介紹說：“吸附實驗以及密度泛函理論計算表明，相比于一維碳納米管(CNTs)，極性鐵酸鎳一維納米纖維對Li2S8具有更高吸附能力。鐵酸鎳納米纖維對多硫化物的強吸附作用是確保其電化學循環穩定性的內在因素。”

　　電化學測試顯示，硫/鐵酸鎳復合材料與硫/碳納米管復合材料的質量比容量相近，但循環穩定性優于S/CNT復合材料。硫/鐵酸鎳復合材料的首周體積比容量是硫/碳納米管復合材料的兩倍，作者認為：“這主要得益于硫/鐵酸鎳較高的振實密度。”

　　此外，作者還補充道：“我們還驗證了其它幾種鐵酸鹽作為極性載體材料的優越性。該研究結果拓寬了硫正極載體材料的選材范圍，即有助于鋰硫電池高質量能量密度的實現，同時也兼顧其體積能量密度的提升。”

　　該研究得到了國家重點研發計劃(新能源汽車專項)和國家自然科學基金的資助。