鋰硫電池被認為是最有前景的下一代高比容量儲能裝置，但由于體積膨脹和多硫化物的溶解導致容量迅速衰減，限制了其實際應用。針對這些問題，本論文通過先進的吡咯蒸氣聚合技術，設計了一種理想的聚吡咯@硫@石墨烯氣凝膠（PPy@S@GA）三維（3D）結(jié)構(gòu)作為高效硫載體。GA具有互連的三維多孔結(jié)構(gòu)，為電子和離子轉(zhuǎn)移通道提供了優(yōu)異的導電網(wǎng)絡，并為多硫化物提供了物理屏障或吸收劑。此外，具有極性氮的PPy涂層進一步加強了物理約束和化學吸附。PPy@S@GA三維結(jié)構(gòu)電極在0.5 C倍率下，提供了優(yōu)異的首次放電比容量1135 mAh g
-1，循環(huán)500次后容量為741 mAh g
-1，容量衰減每圈低至0.031%，優(yōu)于硫電極和S@GA電極。這些結(jié)果表明，GA作為進一步包覆PPy的硫載體，是一種極具發(fā)展前景的高性能鋰離子電池陰極。
Scheme 1. PPy@S@GA復合材料合成工藝的三個步驟示意圖：(I)原位自組裝工藝獲得3D多孔石墨烯水凝膠包覆硫前驅(qū)體，(II)冷凍干燥前驅(qū)體，(III)VPP法使吡咯單體覆在S@GA氣凝膠表面。
Figure 1. S@GA和PPy@S@GA復合材料的(a)XRD圖和(b)拉曼光譜；(c) PPy@S@GAs、S@GAs、PPy@GAs以10℃/min的升溫速率在30-500℃內(nèi)的熱失重曲線；(d)PPy@S@GA的擬合高分辨率N1s XPS譜。
Figure 2. (a,b) S@GA和(c,d) PPy@S@GA不同放大倍數(shù)的SEM圖；(e,f) S@GA和(g,h) PPy@S@GA不同放大倍數(shù)的TEM和HRTEM圖；(i) PPy@S@GA復合材料單個粒子的STEM 圖，以及(j)碳、(k)氮和(l)硫的元素映射。
Figure 3. (a) PPy@S@GA電極前五個周期的CV曲線；(b) PPy@S@GA、(c) S@GA和(d)硫電極選定周期的充放電曲線；PPy@S@GA、S@GA和硫電極在電流密度(e) 0.1和(f) 0.5 C時的循環(huán)性能；PPy@S@GA、S@GA和硫電極在0.5 C循環(huán)500次后的(g)倍率性能和(h)阻抗譜。
Figure 4. (a)硫電極和(b) PPy@S@GA電極在Li-S電池中的示意圖。(c) S、S@GA和PPy@S@GA電極浸泡在DOL/DME溶液中的照片。(d) PPy@S@GA、S@GA、S電極循環(huán)200次后在DOL/DME溶液中的紫外/可見吸收光譜。
相關研究成果與2019年由湖北大學Jianwen Liu課題組，發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.9b04167）上。原文：Integrated Polypyrrole@Sulfur@Graphene Aerogel 3D Architecture via Advanced Vapor Polymerization for High-Performance Lithium−Sulfur Batteries
