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Carbon Energy：基于高負載Li2S正極（15mg/cm2）的鋰硫電池

要實現具有高能量密度和長壽命的硫化鋰（Li₂S）正極，需要創新的正極設計以使電化學性能最大化，并防止電極老化。

漢陽大學Yang-Kook Sun等開發了一種基于Li₂S的高負載正極（15 mg cm^-2），它由微米級Li₂S顆粒、二維石墨烯（Gr）和一維碳納米管（CNTs）組成，并強調了CNTs在高容量Li-S電池穩定循環中的關鍵作用。

圖1. Li₂S/Gr/CNT正極的表征

研究顯示，Gr的平面形態允許與大塊Li₂S的大面積接觸，從而誘導Li₂S的輕松活化，而CNT形成的導電網絡在長時間的循環中保持了均勻、容易的反應。此外，正極的緊湊幾何形狀使得碳基體和活性材料之間能夠緊密接觸。

結果，與以前報道的基于Li₂S的Li-S電池相比，采用緊湊型Li₂S/Gr/CNT正極的半電池和Li-S全電池顯示出前所未有的高容量和循環壽命。

值得注意的是，這項工作在緊湊型Li₂S/Gr/CNT正極中觀察到了首次充電時的直接轉換反應（從Li₂S到S₈），并使用原位技術和低溫TEM進行了研究。

研究顯示，在緊湊型Li₂S/Gr/CNT正極中，高導電性的碳基體、電極的緊湊幾何形狀、高度變形的亞穩態Li₂S（在高壓造粒過程中形成）以及這種獨特的直接轉化反應都有助于Li₂S的有效活化。

圖2. 緊湊型Li₂S/Gr/CNT正極在Li-S電池中的電化學性能

因此，即使在貧電解液條件下（電解液與Li₂S的重量比為7 μL mg^-1），所得正極也顯示出超高的電化學活性，在0.2 C時的實際面積容量為~9.7 mAh cm^-2。

此外，該復合正極表現出前所未有的電化學特性，即使是在10 mg cm^-2的高Li₂S負載下，特別是，與石墨負極結合的實用和安全Li-S全電池顯示出超過800次的超長期循環穩定性。

相信基于Li₂S的Li-S電池的優勢，可以避免與鋰金屬負極的安全隱患有關的問題，將有效加速Li-S電池的實際應用。

圖3. 使用緊湊型Li₂S/Gr/CNT正極的軟包半電池和Li-S全電池的性能

Long-lasting, reinforced electrical networking in a high-loading Li2S cathode for high-performance lithium–sulfur batteries. Carbon Energy 2023. DOI: 10.1002/cey2.308

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