隨著個人便攜式電子設(shè)備的普及、電動汽車以及可再生能源的快速發(fā)展，具有高能量密度和高功率密度的電化學(xué)儲能系統(tǒng)正受到高度的關(guān)注。碳材料以其優(yōu)異的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、機械強度以及豐富的孔結(jié)構(gòu)成為構(gòu)建高性能電極材料的重要組成部分，支撐著電化學(xué)儲能元件如鋰電池、超級電容器等的儲能特性。
鋰硫電池由于其遠超傳統(tǒng)的鋰離子電池接近四倍的、高達2600 Wh kg-1的理論能量密度，近年來正成為儲能研究的熱點。然而其實際應(yīng)用仍然受限于較低的活性材料利用率、較低的效率、不理想的倍率性能和較差的循環(huán)壽命。這些問題主要來源于正極材料硫及其放電產(chǎn)物的高度電子/離子絕緣性以及多步電化學(xué)反應(yīng)中具有高度溶解性的多硫化物中間產(chǎn)物。具有優(yōu)異性能和合理納米結(jié)構(gòu)的碳材料是解決這些問題的優(yōu)良途徑。在碳材料家族中，具有sp2雜化掌控的納米碳材料如碳納米管、石墨烯等由于其優(yōu)良的石墨結(jié)構(gòu)、低的結(jié)構(gòu)缺陷而具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機械強度，是構(gòu)建復(fù)合電極材料的優(yōu)良候選。但其往往受限于納米碳由于相互堆疊造成的低比表面積和孔結(jié)構(gòu)。而以活性炭、介孔碳為代表的另一類碳材料則具有很高的比表面積和豐富可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)，在早期的鋰硫電池研究中起到了先鋒作用，但卻由于其較多的結(jié)構(gòu)缺陷而具有較差的導(dǎo)電能力，因此限制了鋰硫電池的倍率性能。鑒于上述兩種典型的碳材料均不能單獨滿足鋰硫電池正極材料發(fā)展的需要，兼具高導(dǎo)電性和豐富孔結(jié)構(gòu)的新型碳材料需要得到進一步的研究。
近期，清華大學(xué)化工系博士生彭翃杰在張強、魏飛教授指導(dǎo)下通過原位的化學(xué)氣相沉積、碳熱解以及化學(xué)活化的方法得到了一種碳納米管/石墨烯/多孔碳的新型碳納米雜化結(jié)構(gòu)，其三維交聯(lián)的碳納米管/石墨烯網(wǎng)絡(luò)提供了超過商用導(dǎo)電炭黑、活性炭幾十倍的電子導(dǎo)率，而表面原位沉積的多孔碳層提供了高的比表面積和豐富的微孔/介孔結(jié)構(gòu)，以用于儲存納米尺度的硫分子團簇并且提供互聯(lián)通的離子通道。同時其多級孔結(jié)構(gòu)在一定程度上也延緩了多硫化物向電解液主體中的溶解于擴散。因此基于這種新型碳納米結(jié)構(gòu)的鋰硫電池在高達16.7 A g-1的電流密度下獲得了超過800 mAh g-1的電化學(xué)容量，這意味著在六分鐘內(nèi)完成一次充放電循環(huán)，釋放出超過傳統(tǒng)鋰離子電極材料兩到三倍的能量。
該工作表明，兼具高導(dǎo)電性和豐富孔結(jié)構(gòu)的先進碳材料在電化學(xué)儲能器件的研究中仍然具有重要的地位。這種新型的雜化納米碳還具有在超級電容器、金屬-空氣電池盒鈉離子電池/電容中發(fā)揮重要作用的潛力。
相關(guān)研究成果研究成果于2014年5月發(fā)表于《先進功能材料》上，論文題為“具有高導(dǎo)電與互聯(lián)通孔的石墨烯-碳納米管-多孔碳雜化物及其鋰硫電池應(yīng)用”。文章的通訊作者為張強副教授、魏飛教授，第一作者為化工系2013級博士生彭翃杰。
