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　　鋰離子電池是用于便攜式設(shè)備和一些電動(dòng)車(chē)輛的最廣泛使用的能量存儲(chǔ)技術(shù)。但是鋰離子電池的能量密度實(shí)際上被限制到250-300W時(shí)千克。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)和智能電網(wǎng)的實(shí)際用途還是不夠的，所以更高的儲(chǔ)能、能量密度和長(zhǎng)壽命的技術(shù)與更低成本的材料才是以后發(fā)展的方向。在這方面，硫的可持續(xù)性，成本和理論比容量方面優(yōu)于鋰離子電池陰極。硫陰極具有較低的硫利用率，較低的庫(kù)侖效率，較快的容量衰減和較短的循環(huán)壽命。此外，鋰金屬陽(yáng)極由于其高反應(yīng)性而強(qiáng)烈阻礙鋰/硫電池的商業(yè)化，這導(dǎo)致電解質(zhì)的分解。在這里，通過(guò)選擇所有設(shè)計(jì)集成策略來(lái)合理地構(gòu)建兩個(gè)電極的活性炭矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰化硅硫全電池。對(duì)于陰極用氮硫摻雜的高表面積活性炭被設(shè)計(jì)為容納硫及其氧化還原物質(zhì)。使用納米硅負(fù)載的活性炭復(fù)合納米纖維陽(yáng)極可逆地合金化和脫合金。

　　納米硅/活性炭復(fù)合納米纖維陽(yáng)極

　　圖1顯示出納米顆粒很好地嵌入活性炭納米纖維結(jié)構(gòu)中，類(lèi)似于核-殼結(jié)構(gòu)。然而，可以在碳?xì)ず凸韬酥g檢測(cè)到無(wú)定形二氧化硅。然而，在更高的放大率下，納米纖維的靜電紡絲顯示出一些中空的三維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的明顯變化可能是空隙結(jié)構(gòu)的信號(hào)。

　　圖1：硅載納米纖維(a-c)和納米纖維的靜電紡絲(d-f)的透射電子顯微鏡成像。

　　分層超孔氮/硫摻雜活性炭/硫復(fù)合陰極

　　如圖2中的方案所示，通過(guò)分別在一個(gè)階段中同時(shí)活化和碳化聚吡咯和聚噻吩來(lái)制備氮和硫摻雜的分級(jí)高度多孔活性炭。聚吡咯和聚噻吩均以氯化鐵為氧化劑合成，收率100%。將聚吡咯和聚噻吩與氫氧化鉀均勻混合。將兩種混合物在800℃下加熱以同時(shí)實(shí)現(xiàn)化學(xué)活化和碳化，以獲得摻雜的活性炭。

　　圖2：使用氫氧化鉀作為活化劑從聚吡咯和聚噻吩合成氮?dú)鈸诫s和硫摻雜的活性炭的示意圖。

　　圖三所示聚吡咯活化的分級(jí)碳硫和聚噻吩活化的分級(jí)碳硫復(fù)合材料都沒(méi)有賦予任何表示元素結(jié)晶硫的峰，這反過(guò)來(lái)證實(shí)了硫不存在于活性炭結(jié)構(gòu)中的假設(shè)。如圖a所示活性炭的X射線衍射光譜在24°和44°處顯示出兩個(gè)較寬的峰，證明了活性炭的石墨特征。b所示活性炭已經(jīng)對(duì)硫，聚吡咯活化的分級(jí)碳硫和聚噻吩活化的分級(jí)碳硫進(jìn)行了拉曼光譜，以評(píng)估復(fù)合物中硫的存在和碳的石墨化水平。c所示在聚吡咯活化的分級(jí)碳硫和聚噻吩活化的分級(jí)碳硫的拉曼光譜中，硫不會(huì)顯示其信號(hào)，這也意味著硫完全滲透到孔隙中。

　　圖3：硫聚吡咯活化的分級(jí)碳硫和聚噻吩活化的分級(jí)碳硫復(fù)合物的XRD衍射圖和拉曼光譜。

　　納米硅/活性炭陽(yáng)極半電池

　　如圖4所示，從第一個(gè)循環(huán)的電壓分布中看出，兩個(gè)陽(yáng)極的第一個(gè)循環(huán)的額外貢獻(xiàn)來(lái)自不可逆的固體電解質(zhì)界面層形成和電解質(zhì)分解。對(duì)于電化學(xué)表征，在紐扣電池配置中使用鋰金屬作為對(duì)電極對(duì)所有硅陽(yáng)極進(jìn)行恒電流充電和放電。裸露的十億分之一硅陽(yáng)極在第一個(gè)循環(huán)中提供3445mAhg的放電容量，庫(kù)侖效率約為65%。從第二個(gè)循環(huán)開(kāi)始，二氧化硅的硅載納米纖維陰極的比容量值急劇下降至2600mAhg，而納米纖維的靜電紡絲陽(yáng)極顯示出邊際下降，比容量為4000mAhg-1，庫(kù)侖效率均為約91%。比容量的急劇下降可歸因于二氧化硅的硅載納米纖維中的二氧化硅殼在第一次循環(huán)中不可逆鋰化。 

　　圖4：二氧化硅的硅載活性炭復(fù)合纖維陽(yáng)極與鋰箔的循環(huán)性能。

　　鋰化納米硅/納米纖維陽(yáng)極與氮/硫摻雜的活性炭/硫陰極

　　為了證明設(shè)計(jì)單個(gè)電極的可行性和相關(guān)性，用鋰化硅/納米纖維陽(yáng)極代替金屬鋰以實(shí)現(xiàn)0.鋰-硅/硫全電池。為此目的，陰極和陽(yáng)極都應(yīng)在半電池測(cè)試中實(shí)際實(shí)現(xiàn)的面積容量方面進(jìn)行平衡。在全電池配置中，硅陽(yáng)極的脫鋰與硫陰極的鋰化密切相關(guān)。換句話說(shuō)，硫陰極的放電將遵循硅陽(yáng)極脫鋰的潛在和容量分布。

　　圖5：活性炭載硅復(fù)合纖維陽(yáng)極與氮硫摻雜活性炭陰極在面積容量和全電池截止電壓估算方面的平衡。

　　我們選擇了方便且可擴(kuò)展的制造策略來(lái)合理地設(shè)計(jì)用于硫陰極和硅陽(yáng)極的活性炭基質(zhì)。對(duì)于穩(wěn)定的硅陽(yáng)極，已采用簡(jiǎn)單的靜電紡絲技術(shù)來(lái)達(dá)到蛋黃-殼結(jié)構(gòu)。對(duì)于陽(yáng)極制造，所有設(shè)計(jì)集成策略通過(guò)交聯(lián)水溶性藻酸鹽粘合劑導(dǎo)致交互式粘合系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)與硅納米纖維材料的互連。成功證明了通過(guò)兩個(gè)電極的邏輯設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多效鋰-硅/硫全能電池，從而避免硫分子中的關(guān)鍵原料和活性金屬鋰。所有設(shè)計(jì)使用標(biāo)稱(chēng)過(guò)量的鋰和電解質(zhì)集成活性炭框架，使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有成本效益和高能量密度的存儲(chǔ)系統(tǒng)。