DOI: 10.1016/j.cej.2022.138909

使用自支撑碳中间层是开发锂硫（Li-S）电池的一种很有前景的方法，因为这样可以抑制穿梭现象并提供出色的柔性。然而，保持自支撑中间层独特性能所需的厚度不可避免地抑制了锂离子的传输，导致氧化还原动力学缓慢。这项工作通过合成一种复合材料来解决中间层的关键问题，在该复合材料中，Fe基分子催化剂以原子方式结合到碳纳米纤维中，通过CO2处理实现了优异的孔特性。在CO2退火过程中自生成的模板提供了高孔隙率和表面积，从而实现了锂离子的有效扩散，并且催化位点以Fe-N2的形式均匀分布到自支撑纸上。Fe-N2构型在热力学上有助于克服Li2S4向Li2S转化的限速步骤的能垒，同时最大限度地减少穿梭现象。基于通过改善的孔特性实现的有效锂离子传输，以及Fe-N2的优异氧化还原反应能力，组装电池在3.0C下循环1600次期间保持了95%的库仑效率。此外，单位面积负载量为4.2mg/cm2的高负载电极在45℃下的最大面积容量为2.9mAh/cm2。

图1.a）CNPCF/Fe-N-C合成路线示意图。b）CPC的SEM图像。c,d）CF的SEM和TEM图像。e,f）CNPCF的SEM和TEM图像。g）CNPCF的暗场STEM图像和元素映射图像。h,i）CNPCF/Fe-N-C的SEM和TEM图像。j）CNPCF/Fe-N-C的暗场STEM图像和元素映射图像。

图2.a,b）三种自支撑夹层的BET等温线和NLDFT孔径分布图。c,d）三种自支撑夹层的XRD和拉曼光谱。e）三种自支撑夹层的XPS全扫描数据。f）CF夹层的N1s光谱。g）CNPCF/Fe-N-C中间层的N1s光谱。h,i）Fe箔和CNPCF/Fe-N-C的Fe K-edge XANES和FT-EXAFS数据。

图3.a）由三种自支撑纸组成的对称电池的CV结果。使用b）CNPCF和c）CNPCF/Fe-N-C夹层时，Li2S在2.09V下的恒电位沉淀试验。d）LiPSs还原步骤中N2-C和Fe-N2-C构型的能量分布。e）配备CNPCF/Fe-N-C夹层的电池的CV数据。f）由幂律方程计算的b值。g）通过Randles-Sevcik方程解释含夹层的样品的扩散系数。h）循环试验前的EIS分析结果。

图4.a）CNPCF/Fe-N-C样品的GITT曲线（插图对应于放大曲线）。b）高达200个循环的循环性能数据。c）用于确认第5个循环中极化的起始电荷分布。Li2S在d）N2-C和e）Fe-N2-C上分解的能量分布。f）倍率性能试验结果。e）不同电流密度下的QH/QL值。g）CNPCF/Fe-N-C电池在3.0C下的循环性能（前三个循环在0.2C下进行）。

图5.100次循环后a）CF、b）CNPCF和c）CNPCF/Fe-N-C的元素映射图像。d）Li2S和e）S8吸附的DOS光谱。配备f）CF和g）CNPCF/Fe-N-C的循环钮扣电池中锂金属电极的Li1s光谱。配备h）CF和i）CNPCF/Fe-N-C的循环钮扣电池中锂金属电极的S2p光谱。

图6.a）扩散试验后的紫外-可见分析结果。b）硫化锂物种与N2-C和Fe-N2-C的最稳定分子构型。c）吸附能计算结果。d）计算的原子吸附能。e）Li和S原子吸附后N2-C和Fe-N2-C的传输Bader电荷。f）加热45℃时的循环性能数据。g）25℃和45℃下各循环的QH下降率比较。h）具有CNPCF/Fe-N-C自支撑夹层的高硫负载电极的循环性能。