CO2 活化单宁生物质有序介孔碳提升锂硫电池阴极稳定性的机制研究

针对锂硫电池中硫导电性差、多硫化物穿梭效应等问题，研究人员通过溶剂-free法合成单宁生物质有序介孔碳(OMC)，经CO2 活化制备OMCA，并与硫复合构建阴极材料。研究发现活化后材料比表面积提升154%，硫负载能力增强，OMCAS阴极初始容量达787 mAh gS -1 ，循环250次后容量保持率54%，为可持续高能电池设计提供新思路。

　　

随着便携电子设备和电动汽车的快速发展，锂离子电池的能量密度已接近理论极限。锂硫电池(Li-S)凭借硫的高理论容量(1675 mAh g^-1
)和2600 Wh kg^-1
的能量密度成为研究热点，但其商业化仍面临三大挑战：硫及其还原产物Li₂
S的绝缘性导致电化学反应动力学迟缓；充放电过程中80%的体积膨胀引发结构破坏；可溶性多硫化物(Li₂
S_n
, 4≤n≤8)的穿梭效应造成活性物质流失。

为解决这些问题，来自中国的研究团队创新性地采用单宁生物质为前驱体，通过机械化学法合成有序介孔碳(ordered mesoporous carbon, OMC)，并利用CO₂
活化制备高微孔材料OMCA。研究发现活化过程将材料比表面积从539 m²
g^-1
提升至1370 m²
g^-1
，孔体积从0.45 cm³
g^-1
增至0.92 cm³
g^-1
。通过熔融扩散法负载硫后，活化样品OMCAS展现出显著优势：热重分析显示其硫保留能力优于未活化样品OMCS；X射线光电子能谱(XPS)证实微孔中主要存在短链硫物种S_2-4
，而介孔中以S₈
为主。

关键实验技术
研究采用机械化学法合成OMC，CO₂
物理活化制备OMCA，通过氮气吸附-脱附、热重分析(TG)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和XPS进行材料表征。电化学测试在0.1-1C倍率下进行，采用标准CR2032纽扣电池组装体系。

Mesoporous carbon synthesis
以单宁酸为碳源，F127为模板剂，通过30分钟球磨和1000°C碳化制备OMC。CO₂
活化在800°C进行，产生丰富微孔结构。

Textural Characterization
氮吸附测试显示OMCA出现0.5-1 nm的微孔峰，同时保留2-50 nm介孔。硫负载后OMCAS比表面积降至720 m²
g^-1
，但仍高于OMCS的460 m²
g^-1
。

Conclusions
活化材料OMCAS表现出优异的电化学性能：0.1C下初始容量达787 mAh g_S
^-1
，较OMCS提升26%；250次循环后容量保持425 mAh g_S
^-1
，库仑效率99%。微孔结构有效限制多硫化物扩散，介孔网络保障离子传输速率。

该研究首次系统揭示了CO₂
活化对生物质OMC材料的结构调控机制，证实微孔-介孔协同作用可同时解决硫导电性和穿梭效应难题。单宁生物质的应用既避免了传统酚醛树脂的石油依赖，又简化了合成工艺，为开发可持续高能储能系统提供了新范式。论文发表于《Materials Today Communications》，被审稿人评价为"生物质碳材料在能源领域应用的典范研究"。