DOI: 10.1016/j.cej.2023.142657

具有高硫负载和高效/稳定硫转化的锂硫（Li-S）电池的实际运行需要抑制多硫化锂（LiPS）穿梭并促进电极材料表面的离子和电子转移。在此，本研究设计了一种由Ag@聚吡咯（PPy）涂层电纺碳纳米纤维（CNF）骨架构成的多功能集流体，以构建高效的催化/吸收/导电网络，从而提高锂-硫电池在实际运行条件下的性能。在分子尺度上，Ag@PPy分子不仅有效地抑制了LiPSs的穿梭效应，而且由于Ag纳米粒子的高导电性，在电荷转移过程中实现了快速的硫催化和去极化。在电极尺度上，三维（3D）纤维状纳米结构提供了充足的物理空间来实现高硫负载，在活性硫的大体积变化期间和在机械滥用条件下保持电极完整性，并实现高通量Li+扩散和电解质流动。因此，配备CNF/Ag@PPy集流体的锂-硫电池表现出优异的循环稳定性（在1.0C下循环500次期间，每次循环的容量衰减为0.048%）和高能量密度（在9.77mg/cm2高硫负载下为234.2Wh/kgcell）。还制造了柔性锂-硫电池，证实了CNF/Ag@PPy集流体在柔性器件中的可行性。

图1.工作机理和制备工艺。（a）用CNF/Ag@PPy集流体组装的锂-硫电池的工作机理；（b）CNF/Ag@PPy/S正极的制备工艺示意图。

图2.形态和结构表征。（a）Ag@PPy样品的FE-SEM和FE-TEM（插图）图像；（b）Ag@PPy样品的HR-TEM图像；（c）PPy、Ag和Ag@PPy样品的XRD图谱；（d）PPy和Ag@PPy样品的FT-IR光谱；Ag@PPy样品中（e）N1s和（f）Ag3d的高分辨率XPS光谱；（g）CNF/Ag@PPy集流体的EDS映射；（h）基于压汞法获得CNF/Ag@PPy集流体的孔隙分布；（i）CNF/Ag@PPy/S的TGA光谱。

图3.DFT模拟用于分析各种样品和LiPSs之间的化学结合。（a）是否与Li2S6结合的PPy和Ag@PPy样品的分子模型；（b）PPy或Ag@PPy分子上不同硫物种的结合能；（c）从S8到Li2S（R1-R6）的转换方程和（d）相应的反应能。

图4.各种样品的吸附和电催化测试。（a）由PPy和Ag@PPy静态吸附前后纯Li2S6溶液的UV-vis光谱及相应图像（插图）；（b）静态吸附试验后，PPy-Li2S6和Ag@PPy-Li2S6的高分辨率Li1s XPS光谱；（c）由三种集流体组装的不含或含有Li2S6溶液的对称电池的CV曲线；（d）在CNF/Ag@PPy、CNF/PPy和CNF中，当极化电压为0.5V时，电流随极化时间的演变；2.05V时，在锂-硫电池中的（e）CNF/PPy和（f）CNF/Ag@PPy集流体上的恒电位放电曲线；（g）根据各种样品的CV图的相应拟合线计算出峰A、峰B和峰C的Ip/v0.5值；（h）Ag@PPy化合物对LiPSs的吸附和电催化转化机理（分子尺度）。

图5.CNF/S、CNF/PPy/S、CNF/Ag@PPy/S和Al/S正极的电化学性能。（a）在开路电压下测试的EIS曲线；（b）0.2C下的循环性能；（c）CNF/Ag@PPy/S正极在0.2C下进行不同循环的充电/放电曲线；（d）不同正极在第5次循环时的充电/放电曲线的比较。（e）不同正极在0.1-2C范围内的充放电循环性能；（f）CNF/Ag@PPy/S正极在0.1-2C范围内的充电/放电曲线；（g）本研究开发的CNF/Ag@PPy/S正极和其他报道的类似材料在不同电流密度下的放电容量比较。（h）1C下的长期循环性能。

图6.配备CNF/Ag@PPy/S正极的电池在不同应用场景中的实际性能。（a）具有高S负载的CNF/Ag@PPy/S和CNF/S在0.2C时的充/放电曲线和（b）循环性能；（c）本研究中的高负载锂-硫电池与其他报道中的高负载锂-硫电池的面积容量和比容量比较。（d）常规CNF/Ag@PPy/S锂-硫电池、高S负载CNF/Ag@PPy/S锂-硫电池（HS Ag@PPy）以及高S负载CNF/S锂-硫电池（HS CNF）的单位面积质量和重量能量密度的比较；（e）CNF/Ag@PPy/S正极和较薄的Li负极（低N/P比为2.0）的循环性能；（f）通过在700℃下燃烧CNF/Ag@PPy/S正极长达2h得到黑色粉末，并对其进行EDS测试；（g）铝箔/S、CNF/S和CNF/Ag@PPy/S正极弯曲100次后的光学图像；（h）通过配备CNF/Ag@PPy集流体的真实锂-硫软包电池进行LED照明试验。