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氧化石墨烯包覆空心介孔碳球作为动态双极宿主的研究 作为动态双极宿主的氧化石墨烯 锂硫电池的动态双极主机

第一作者：者荣杰，朱挺，魏现鹤

通讯作者：王洪恩

单位：云南师范大学

摘要

锂硫电池具有高的理论比容量（1675mAh g-1），有望作为下一代大规模电化学储能。然而，充放电中生成的多硫化物易溶于电解液引起穿梭效应及缓慢的氧化还原反应动力学限制了锂硫电池的商业化。开发能有效锚定多硫化物同时促进其快速转化的多功能宿主材料有望显著改善锂硫电池的电化学性能，推动其实用化进程。

本文设计了一种三维氧化石墨烯包裹的中空介孔碳球(HMCS@GO)，作为锂硫电池的正极宿主。实验数据和第一原理密度泛函理论计算揭示，HMCS@GO能有效固定充放电中的多硫化物并促进其转化，组装的锂硫电池实现了较好的电化学性能。该工作为合理设计和开发全碳基复合电极提供了一些新的见解，也为其它二次电池电极的开发研究具有一定参考价值。

研究背景

锂硫电池具有非常高的理论比容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600 Wh kg-1）。同时，硫资源丰富，成本低，对环境无害。然而，硫正极在充放电中经历大的体积变化(80%)和低的电导率，导致低的实际容量和倍率性能。此外，放电中间体多硫化物在电解液中的溶解和穿梭降低了锂硫电池的循环性能，诱发寄生反应（如锂负极的腐蚀）。中空介孔碳球具有高的载硫量和导电性，而氧化石墨烯表面含有丰富的极性含氧官能团，如环氧基、羧基和羟基等。将二者有效的复合可以设计开发一种全碳的同时具有非极性和极性的双极性宿主材料，用于改善锂硫电池的综合电化学性能。

文章简介

基于此，云南师范大学的王洪恩小组在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Graphene Oxide Wrapped Hollow Mesoporous Carbon Spheres as A Dynamically Bipolar Host for Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。该工作设计了一种三维氧化石墨烯包裹的中空介孔碳球（记为HMCS@GO），作为锂硫电池的正极宿主材料，实验测试、分子动力学模拟和第一原理密度泛函理论计算显示以HMCS@GO为宿主组装得到的锂硫电池实现了较高的电化学性能。

本文要点：

要点一：制备了中空介孔碳球与超薄氧化石墨烯片构筑的全碳基复合材料，分子动力学模拟了复合材料的形成过程。

要点二：中空碳球提供高的载硫量和良好的电子传导性，氧化石墨烯具有丰富的含氧基团，为多硫化物的锚定提供了丰富的极性位点。

要点三： 计算揭示氧化石墨烯中的部分含氧官能团可以被还原, 增强了电子传输和改善了电化学氧化还原动力学。

总结

采用可控的化学方法，合成了氧化石墨烯包裹中空介孔碳球组成的全碳基复合材料。分子动力学模拟表明，石墨烯片在碳球上的包裹可自发进行，可能由界面较强的范德华相互作用驱动。得到的复合材料对硫和多硫化物均表现出较好的亲和力。所制备的具有较好的电化学性能。本工作可为高性能锂硫电池和其它二次电池复合电极的合理设计和开发提供一些新的见解。

文章链接

Graphene Oxide Wrapped Hollow Mesoporous Carbon Spheres as A Dynamically Bipolar Host for Lithium-Sulfur Batteries

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/TA/D2TA06686F

信息来源：公众号【科学材料站】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。