英文原题：Roller-Like Spore Carbon Spheres Orientated Graphene Fibers Prepared via Rheological Engineering for Lithium Sulfur Batteries
通讯作者：沈盛慧（浙江理工大学）；夏新辉（浙江工业大学）；周建仓（浙江大学）
作者：Chunxiang Xian, Shenghui Shen, Tianqi Yang, Zhong Qiu, Yongqi Zhang, Feng Cao, Xinqi Liang, Minghua Chen, Xinping He, Yang Xia, Chen Wang, Wangjun Wan, Wenkui Zhang, Xinhui Xia, Jiangping Tu, Jiancang Zhou
图文解读
高性能的柔性电池对于便携式电子技术的持续发展极为重要。柔性电池的性能主要从三个方面进行评估，包括大容量、高机械强度和低电阻。为了满足这些要求，大量的研究致力于增强柔性纤维组成电极材料的形态/结构。近期，主要提出了两种策略：一是合成以导电共价有机框架、金属基材料和表面官能团较少的聚合物为基质的柔性纤维电极；二是无粘合剂的原位组装导电材料。后者由于其原位组装特性和高可制造性，对于生产高性能柔性电极具有更大的潜力。然而，这种策略的非优化微观结构和形态成为同时实现高机械和电性能的挑战。迫切需要调控微观结构/形态，并建立结构与大容量之间的联系，从而为可穿戴电子设备提供一个优质的配置。
近期，浙江大学周建仓教授、浙江工业大学夏新辉教授和浙江理工大学沈盛慧老师等人报道了通过流变工程制备滚筒状孢子碳球定向石墨烯纤维。通过微流控共纺和等离子体还原技术，孢子碳球自行组装并定向分散到石墨烯片层间，形成内部滚筒状编织结构的石墨烯纤维电极，这不仅能增强材料之间的有效接触，还能显著提高石墨烯纤维电极的机械强度和结构稳定性。设计的石墨烯纤维可以同时充当硫正极和锂负极的基底材料，组装的柔性锂硫电池具有优异的电化学性能。
图1. （a）SC/GO的合成示意图。（b）GO和（c，d）SC/GO的SEM图像。（e）rGO和SC/rGO的电子电导率。（f）rGO和SC/rGO中电子传导和离子传输的示意图。（g）COMSOL Multiphysics对SC/GO电位分布的仿真。（h）rGO和SC/rGO的典型应力-应变曲线。（i）SC/rGO 50次拉伸循环下的应力保持和应力-应变曲线。（j）不同外部变形下PPy@S/rGOs的光学照片。
通过微流控共纺与等离子体技术相结合，制备了具有滚筒状孢子碳球定向排列的石墨烯纤维（SC@TiC/rGO），该结构由TiC纳米颗粒装饰的孢子碳（SC）球和石墨烯片组成。这种精心设计的纤维具有高电子导电性、机械强度和结构稳定性。
图2.（a）SC@TiC合成示意图。SC@TiC的（b）SEM、（c）TEM和（d）EDS图像。SC@TiC/rGO-S的（e）制造过程示意图，（f）XRD图谱和（g）SEM图像。
图3.多硫化物对（a）rGO、（b）SC/rGO和（c）SC@TiC/rGO的吸附和催化机制。（d）rGO-S、SC/rGO-S和SC@TiC/rGO-S的CV曲线。CV曲线中（e）R2还原峰和（f）O2氧化峰的LSV曲线。CV曲线中（g）R2还原峰和（h）O2氧化峰得出的Tafel图。rGO-S、SC/rGO-S和SC@TiC/rGO-S电极的（i）奈奎斯特图（和插图中的等效电路图）、（j）倍率性能和（k）循环性能。
图4.在(a)TiC(100)和(b)碳表面上的多硫化物固定动力学和催化转化过程。(c)在TiC(100)和碳表面的吸附能。(d)Li2S6电解质的紫外-可见吸收光谱。(e)Li2Sx/S8转化反应的自由能图。(f,g)Li2S在TiC表面上的优化吸附配置。(h)在TiC和C上Li2S簇分解的能量轮廓。
密度泛函理论模拟和实验分析表明，这种多层级结构为可溶性多硫化物提供了强物理限域和化学吸附作用，并为硫正极中的氧化还原反应提供了高效的催化转化效果。
图5.Li2S在(a)rGO、(b)SC/rGO和(c)SC@TiC/rGO上的沉积曲线。Li2S在(d)rGO、(e)SC/rGO和(f)SC@TiC/rGO上沉积后SEM图像。从Li2S沉积曲线得到的在(g)rGO、(h)SC/rGO和(i)SC@TiC/rGO上的生长模型。电极的GITT曲线 (j)rGO、(k)SC/rGO和(l)SC@TiC/rGO。
图6.铜箔和SC@TiC/rGO在COMSOL Multiphysics仿真中的模拟结果。(c)SC@TiC/rGO的SEM图像。(d)SC@TiC/rGO/Li的俯视图和截面图。对称电池的电化学性能：（f）倍率性能和（g）长循环。(h)SC@TiC/rGO-S∥SC@TiC/rGO/Li电池的全电模型和循环性能。
SC@TiC/rGO材料可以同时作为硫和锂金属的宿主材料，从而在正极侧协同抑制多硫化物的穿梭效应，在负极侧抑制锂枝晶的生长，进而提升锂硫电池的整体电化学性能。
该工作发表在ACS Nano上。浙江大学博士研究生鲜春香为本文第一作者。通讯作者为浙江大学周建仓教授、浙江工业大学夏新辉教授和浙江理工大学沈盛慧教授。
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ACS Nano 2024, 18, 40, 27451–27464
Publication Date: September 23, 2024
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c07864
© 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Xiaodong Chen
Nanyang Technological University
ACS Nano 是一个用于交流化学、生物学、材料科学、物理学和工程学领域有关纳米科学和纳米技术研究综合类文章的国际平台。此外，该期刊致力于促进科学家之间的交流，开发新的研究机会，通过新发现来推动领域的发展。
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