DOI: 10.1016/j.cej.2022.137141

本研究设计了具有可行参数的先进锂硫电池正极基板，即含嵌入良好的金属Ni/Co和尖晶石型NiCo2O4纳米晶体（Ni-Co/NiCo2O4）以及金属有机骨架衍生中空氮掺杂碳纳米笼（HNC）的分层多孔氮掺杂碳纳米纤维（P-N-CNF），表示为P-N-CNF@NCO/HNC。高导电性多孔N-CNF基质为快速离子和电子转移提供了许多导电通道。HNC保证了大量活性材料的有效浸渍以及高负载，疏导了体积变化应力，并确保了有效的电解质渗透，这对于均匀分散和高活性硫利用率至关重要，尤其是在低电解质/硫（E/S）比率下。金属Ni/Co和极性尖晶石型NiCo2O4纳米粒子提供了足够的化学吸附位点，以防止多硫化物向负极迁移。使用P-N-CNF@NCO/HNC作为先进主体、多硫化锂正极电解液作为原材料组装的Li-S电池，即使在苛刻的参数条件下仍显示出稳定的电化学性能，包括高硫含量（79.8wt%）、高硫负载（7.7mg/cm2）和低E/S比（8.0µL/mg）。该电池的最大面积容量为5.4mAh/cm2，在0.1C下循环160次后该值稳定为2.8mAh/cm2，与目前可用的商业系统的理论阈值相当。

图1.（a-d）初纺PAN/Ni/Co/ZIF-8和（e-h）初纺PAN/Ni/Co复合纳米纤维在150℃下稳定后的形态、XRD图谱和TG分析：（a,e）FE-SEM图像，（b,f）横截面图像，（c,g）XRD图谱和（d,h）TG曲线。

图2.对稳定化纳米纤维进行热处理后得到的P-N-CNF/Ni-Co/HNC复合纳米纤维的表征：（a）FE-SEM图像，（b）横截面图像，（c-f））TEM图像，（g）HR-TEM图像，（h）SAED图谱，（i）XRD图谱和（j）元素映射图像。

图3.在空气气氛中于300℃下进行二次热处理后得到的P-N-CNF@NCO/HNC复合纳米纤维的表征：（a）FE-SEM图像，（b）横截面图像，（c-f）TEM图像，（g）HR-TEM图像，（h）SAED图谱，（i）XRD图谱和（j）元素映射图像。

图4.（a）XPS全扫描光谱，（b）去卷积Ni2p XPS光谱，（c）去卷积Co2p XPS光谱，（d）去卷积O1s XPS光谱，（e）去卷积C1s XPS光谱，和（f）去卷积N1s XPS光谱。

图5.使用P-N-CNF@NCO/HNC作为自支撑正极基板、多硫化锂（Li2S6）正极电解液作为活性材料组装的典型Li-S电池的电化学性能：（a）在0.01mV/s下进行初始三个循环的循环伏安（CV）曲线，（b）在0.02-0.1mV/s范围内的不同扫描速率下的CV曲线，（c）不同C率（0.05-0.5C）下的倍率性能测试，以及（d）Li-S电池在不同C率下进行第15次循环的相应充放电曲线。

图6.采用自支撑P-N-CNF@NCO/HNC@LiPS电极的Li-S电池在0.1C下的循环性能：（a）典型的Li-S电池，和（b,c）高硫含量/负载的锂硫电池。

图7.自支撑P-N-CNF@NCO/HNC和F-NCO正极基板对多硫化锂的电催化活性和吸附试验：（a）在-1.0-1.0V的电压范围内，不同对称电池在3.0mV/s下的初始CV曲线，（b）使用P-N-CNF@NCO/HNC的对称电池的五个初始CV循环，（c）使用F-NCO的对称电池的五个初始CV循环，和（d）不同时间跨度的多硫化锂吸附试验的数码照片，（e）在0.1C下循环后，由两个硫负载量分别为5.9和7.7mg/cm2的Li-S电池串联供电的发光二极管（5V，10mW）的数码照片。自支撑循环电极的正面FE-SEM图像以及在0.1C下循环后Celgard隔膜的数码照片：（f,h）P-N-CNF@HNC/NCO和（g,i）F-NCO。