鋰硫（Li-S）電池涉及硫和硫化鋰（Li2S）之間通過一系列可溶性多硫化物中間體（LiPSs）的可逆轉化反應，從而實現1675 mAh g–1的高理論比容量。然而，該過程表現出大極化和低硫利用率，并遭受嚴重的容量衰減。迄今為止，解決這個問題的主要方法是將硫滲透到具有納米結構的碳中。然而，大多數使用多孔碳作為基體材料的研究都使用高電解液/硫比(E/S)（通常 > 15 μL mg-1）進行測試，這會損害電池級能量密度。
在此，斯坦福大學鮑哲南教授聯合崔屹教授設計了一種帶有鎳(Ni)納米顆粒的花形多孔碳結構，以解決上述問題。首先，3D花形碳（CF）結構可實現較短的離子傳輸路徑。其次，其具有充足孔體積的小孔徑 <10 nm 和高比表面積 > 3300 m2 g-1，這是低E/S比充電性能的理想選擇。最后，Ni因其高導電性以及對硫氧化還原反應的高電催化活性而被用于花形網絡，以增強電池反應動力學。總的來說，實驗顯示，鋰硫電池在5 mg cm-2高硫負載和5 μL mg-1低E/S比的情況下，實現了150次循環后70%的容量保持率。相關成果以題為“A Nickel-Decorated Carbon Flower/Sulfur Cathode for Lean-Electrolyte Lithium–Sulfur Batteries”發表在Advanced Energy Materials上。
通過控制聚丙烯腈(PAN)納米顆粒的形狀合成，然后碳化得到CF結構。進一步通過KOH活化，花形碳獲得了超過3300 m2 g-1的高表面積和2.48 cm2的孔體積，其中大部分孔結構小于2 nm。作者還制備了與CF相近的碳片（CS）電極和普通電極（Control）進行對比。
恒電流充放電測試顯示，在E/S比為12 μL mg-1和硫負載為1 mg cm-2時，CF/S電極在0.1C下獲得了1208 mAh g-1高初始容量，循環50圈后，可逆容量為774 mAh g-1。而且CF/S電極的極化始終較低，表明轉化動力學得到改善。循環伏安（CV）測試表明，CF/S 電極中鋰離子的擴散系數為 9.1 × 10–15 cm2 s–1也高于其它兩種電極，表明CF/S電極具有更快的鋰離子擴散路徑，這增強了反應動力學，最終提高了電池性能。
此前的研究表明，由于非極性碳表面和極性Li2Sx(0 < x ≤8)之間的弱結合，硫正極的容量衰減通常與放電過程中Li2Sx從碳表面的脫離或溶解有關。為解決這個問題，作者采用具有高導電性以及對多硫化物轉化反應高電催化活性的Ni對碳花導電支架進行表面改性。結果，3.76 wt%的Ni被摻入到CF中。SEM和TEM顯示，CF的形態保持良好，并且沒有發生由Ni摻入引起的團聚。
循環測試顯示，在E/S比為5 μL mg-1和硫負載為1 mg cm-2時，與CF/S電極的860 mAh g-1相比，Ni-CF/S電極在C/20下表現出1202 mAh g-1的高初始容量。當以0.5C的更高倍率運行時（第4圈），Ni-CF/S電極的放電容量可保持892 mAh g-1，而 CF/S電極為 651 mAh g-1。此外，循環充放電曲線的平均電壓顯示，Ni-CF/S電極在低極化下持續超過200次循環，表明在多次循環中電荷傳輸動力學一致。
為驗證Ni-CF/S對LiPSs的化學吸附能力，通過將 Ni-CF和CF分別添加到Li2S6溶液中吸附后，進行了紫外-可見（UV-vis）吸收測試。結果，添加Ni-CF后Li2S6吸附峰完全消失，而添加CF后仍觀察到Li 2S6吸附峰。該結果意味著通過添加Ni納米顆粒可以改善多硫化物的吸附，這可能歸因于Ni-Li 之間形成離子鍵。
此外，此前文獻的理論計算顯示，具有Ni原子的石墨烯表面上Li2S的計算分解能壘(1.23 eV)遠低于沒有Ni原子的石墨烯 (1.98 eV)。低能壘意味著石墨烯上的 Ni原子可以有效地催化Li2S鍵的斷裂，從而實現電化學過程中的快速脫鋰反應動力學。而且Ni/石墨烯表面多硫化物的吉布斯自由能值遠低于石墨烯表面。低吉布斯自由能表明高度自發性和快速反應速率。這表明Ni/石墨烯上的多硫化物會產生更快的動力學轉化。
進一步，在E/S比為5 μL mg-1和5 mg cm-2的硫負載時，Ni-CF/S電極（硫含量為64%）在C/10下循環50次后可保持其原始容量的87%。這些結果表明，Ni-CF可以成為硫電池有前景的的宿主。
圖5 Ni-CF/S電極在E/S比為5 μL mg-1時的性能
這項工作提出了一種有效的策略，通過利用花形多孔碳結構來促進硫電池的擴散過程。此外，作者提供了直接的實驗證據，表明通過摻入Ni納米粒子，可以進一步增強LiPSs的吸附能力和電荷轉移動力學。總的來說，使用Ni-CF作為硫電池的基體材料是是顯著提高硫氧化還原化學多方面性能的有效方法。
A Nickel-Decorated Carbon Flower/Sulfur Cathode for Lean-Electrolyte Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101449
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