锂-硫(Li-S)电池是一种绿色环保、成本低、能量密度高的下一代储能系统。然而高性能Li-S电池中多硫化物的严重穿梭效应导致高倍率下的可逆性和循环性差，极大地阻碍了其实际应用。以天然生物质资源毛竹作为碳源，西南交通大学董盼盼副研究员、杨维清教授团队报道了一种简单、低成本的工艺，制备了物理纳米限域和化学C-S键合的毛竹衍生微孔碳，作为Li-S电池正极，可以实现电极在循环期间的良好结构稳定性、良好的循环性能及倍率性能。
天然毛竹具有生长速度快、资源分布广泛、强度高及环保可再生等优势。毛竹衍生微孔碳的孔结构和对S的键合能力为锂硫电池面临的问题提供了了天然解决方案。本文通过对毛竹碳化、活化程序，以及与S的两步热处理法，制备得到Li-S电池正极，并对其进行物理表征和电化学性能测试。
图文解读
1. 碳化温度对微孔竹炭结构性能的影响
本文系统研究了碳化温度对竹炭结构性能影响，图（a-d）显示了竹炭在不同碳化温度下的SEM图像，随着炭化温度的升高，600 ℃和700 ℃的样品表面的孔隙比500 ℃的样品表面的孔隙少而大，这是由于炭化温度高时有机组分的过度热解造成的，导致出现大量的膨胀孔。如图（e-h）所示，活化后样品显示粗糙和多孔的表面，这是由于煅烧过程中碳结构被破坏所致，形成了更多的孔。 图（i-j）显示了竹炭活化前后的石墨化程度与有序性，相比于活化前的样品，所有MPC样品显示宽得多的（002）和（001）峰，活化后石墨化度降低；结合图（k-l），500 ℃碳化后的样品显示出了比其他样品更高的缺陷程度，对多硫化物的吸附能力更强，更有利于离子传输，同时导电碳骨架保证了电子传导。
图1. 竹炭和MPC的微观结构表征：（a-d）竹炭和（e-h）MPC的SEM图像，（i）竹炭和（j）MPC的XRD图案，（k）MPC的拉曼光谱和（l）FTIR光谱。
图2进一步通探究了不同碳化温度对微孔竹炭吸附多硫化物的影响，由于500-MPC的高比表面积和孔体积，对多硫化物的吸附效果明显。此外，400-MPC、600-MPC和700-MPC也显示出对多硫化物的良好吸附能力，通过紫外-可见吸收光谱定量分析样品对Li2S8的吸附能力，剩余的S82-强度遵循500-MPC < 600-MPC < 400-MPC < 700-MPC的顺序，表明500 ℃碳化的样品对多硫化物的吸附能力更强。
图2. 多硫化物吸附试验：（a）与400-MPC、500-MPC、600-MPC和700-MPC混合的Li2S8溶液在不同静置时间后的光学照片，（b）与400-MPC、500-MPC、600-MPC和700-MPC混合的Li2S8溶液在静置1天后的紫外-可见吸收光谱。
2. 碳化温度对微孔竹炭结构电化学性能的影响
本研究量化了碳化温度对电子转移和锂离子传输的影响，如图3（a-b）所示，还原和氧化的峰值电流与扫描速率的平方根呈线性关系，依据Randles-Sevcik方程用于模拟锂离子扩散的动力学，Ip−v0.5图的拟合斜率反映了锂离子扩散速率，陡峭的斜率表示Li+扩散更快，其中500-MPC表现出了更高的锂离子扩散速率。具有500-MPC@S的Li-S电池表现出了良好的倍率性能，在1675 mA g−1下进行500次循环时具有>97.88%的高平均库仑效率，以及0.0912%的低衰减率。
图3. MPC@S正极的电化学性能测试：（a）500-MPC@S在不同扫描速率下的CV曲线；（b）通过分析关于扫描速率的平方根的峰I、II和C的CV峰电流来研究500-MPC@ S正极所组装的Li-S电池；（c）倍率性能；（d）使用500-MPC@S正极的Li−S电池在1675 mA g−1高倍率下的长期循环性能。
这项工作为大规模制造用于高倍率锂硫电池的高性能生物质衍生复合正极提供了一种简单的策略，并为下一代锂电池的高容量电极的结构-性能关系带来了深刻的见解。
总结
受益于多孔碳与硫的物理纳米限制和化学键合相互作用，具有硫/微孔竹炭复合正极的Li-S电池显示出大大减轻的穿梭效应和良好的循环性能，在1675 mA g−1的高倍率下循环高达500次，具有0.0912%的低衰减率。这项工作提供了一种低成本和可行的方法来合成微孔碳作为高性能Li−S电池的有前途的硫主体，这为设计用于其他高容量电极的生物质衍生的功能性多孔碳带来了深刻的见解。
该研究以“Phyllostachys Edulis-Derived Nanoconfined Microporous Carbon−Sulfur Cathodes for High-Rate Lithium−Sulfur Batteries”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces。西南交通大学材料科学与工程学院硕士研究生杨婷第一作者，董盼盼副研究员和杨维清教授为共同通讯作者。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c19977
