N/O共掺杂碳网络修饰碳布，用于高性能锂硫电池

摘要：锂硫电池（LSBs）中的“穿梭效应”和锂枝晶问题是威胁其循环稳定性和安全性的两大主要问题。为解决这些问题，本文，华南师范大学石光教授、Hao Pang等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Porous N,O co-doped carbon networ

1成果简介

锂硫电池（LSBs）中的“穿梭效应”和锂枝晶问题是威胁其循环稳定性和安全性的两大主要问题。为解决这些问题，本文，华南师范大学石光教授、Hao Pang等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Porous N,O co-doped carbon network-decorated carbon cloth serves as hosts for both sulfur cathodes and lithium metal anodes in high-performance lithium-sulfur batteries”的论文，研究提出了一种基于聚酰亚胺并直接生长于碳布上的氮氧双掺杂碳网络（NOCC），该材料通过原位酰亚胺化 followed by 碳化过程合成。NOCC被用作高性能LSB中硫阴极和锂金属阳极的宿主材料。

一方面，掺杂N和O元素的互联碳基体提供了增强的电子和离子传输路径，同时与锂多硫化物（LiPS）展现出强烈的相互作用。此外，该材料对硫氧化还原反应具有高催化活性，有效缓解了“穿梭效应”。另一方面，掺杂的杂原子提高了碳骨架对锂的亲和力，促进了锂的均匀成核，并抑制了锂金属表面树枝状晶体的生长。因此，以NOCC为宿主材料的复合阴极在0.2C下初始放电容量可达157mA h g-1，在5 C下具有出色的倍率性能，放电容量为795mA h g-1，并在2 C下经过1000次循环后仍保持出色的长期循环稳定性，放电容量为411mA h g-1，每循环衰减率仅为0.050%。当NOCC作为宿主材料引入锂金属阳极时，复合阳极可在3mA cm-2.下稳定循环超过1000小时。值得注意的是，NOCC-800-S||NOCC-800-Li全电池展现出卓越的耐久性，在5C下经过1100次循环仍保持稳定。这种创新的碳基宿主材料为提升锂金属电池（LSBs）的循环稳定性和安全性提供了有前景的解决方案，有助于推动其实际商业化应用。

2图文导读

图1. Schematic representation of the NOCC-S cathodes and NOCC-Li anodes synthesis process.

图2. SEM images of the (a) acid treated CC, (b) NOCC-700, (c) NOCC-800, (d) NOCC-900, and (e) NOCC-1000. (f) N2 adsorption/desorption isotherms and the pore size (inset) and (g) the pore size distribution of NOCC composites. (h) XRD patterns and (i) Raman spectra of different NOCC composites.

图3. (a) XPS full spectrum of the NOCC-800 and the corresponding high-resolution XPS spectra of (b) C 1s, (c) O 1s, and (d) N 1s. (e) Electrolyte uptake rates of the four NOCC host materials. (f) SEM image and (g) EDS elemental mappings of the NOCC-800-S. SEM images of (h) the CC-Li and (i) NOCC-800-Li anodes

图4. (a) CV curves and (b) EIS profiles of the Li-S coin cells equipped with different cathodes. (c) CV curves and (d) EIS profiles of the symmetric cells with Li2S6. (e) CV curves at different scan ratesof the Li-S cell with NOCC-800-S cathode. (f) Li diffusion coefficient at C1, C2, and A peaks for the four different cathodes.+

图5. (a-b) Galvanostatic lithium deposition-stripping profiles of symmetric cells with various Li electrodes (NOCC-800-Li and CC-Li) at 1.0 and 3 mA cm-2. (c) Cyclic performance of the NOCC-800-Li‖NOCC-800-S full cell at 5 C.

图6、The potentiostatic charging profiles at 2.4 V of the Li2S6 asymmetric cells with (a) NOCC-700, (b) NOCC-800, (c) NOCC-900, and NOCC-1000 electrodes. SEM images of the (e-h) cathodic side and (i-l) anodic side of the separators in the cells with (e,i) NOCC-700-S, (f,j) NOCC-800-S, (g,k) NOCC-900-S, and (h,l) NOCC-1000-S cathodes at 0.2 C for 200 cycles.

图7. (a) Rate performances and (c) cyclic performances at 0.2 C of the four composite cathodes. (b) Charge-discharge curves of the NOCC-800-S cathode at different current rates. (d) Long-term cyclic performances of at the NOCC-800-S cathodes at 1 and 2 C.

3小结

综上所述，通过将 PI 衍生的 N，O 共掺杂碳纳米装饰在碳布上，制备了适用于锂硫电池（LSBs）中硫阴极和锂金属阳极的柔性碳基材料。通过调节碳化温度，优化了NOCC宿主材料的孔结构和表面极性。实验结果表明，适中的碳化温度（800 °C）能有效平衡NOCC宿主材料的导电性和表面极性，从而确保其具备优异的电子/离子传输性能、强烈的锂亲和力以及对LiPSs的高吸附/催化活性。因此，NOCC-800-S复合正极展现出卓越的倍率性能（最高可达5 C，即798 mA h g-1）和出色的长期循环稳定性，例如在2 C倍率下经1000次循环后仍保持411 mA h g-1的高可逆比容量。同时，NOCC-800-Li阳极在1 mA cm⁻²和3 mA cm⁻²电流密度下，展现出超过1000小时的优异锂沉积-剥离循环稳定性。此外，配备NOCC-800-S正极和NOCC-800-Li负极的完整电池在5C下实现了令人印象深刻的1100次循环稳定性。因此，本研究为先进锂硫电池（LSBs）提供了创新的柔性碳基材料，有效提升了硫正极和锂金属负极的循环性能。

文献：