3D打印氮掺杂碳中间层对锂硫反应的空间调控及其性能提升研究

本研究针对锂硫(Li–S)电池中硫转化动力学迟缓和多硫化物穿梭效应两大难题，开发了一种基于直写成型3D打印技术的氮掺杂三维碳（3D-NC）功能中间层。该结构有效提升电子传导、优化反应界面，使电池在3.0 mg cm?2载硫下实现955.4 mA h g?1的高比容量和100次循环后90.2%的容量保持率，在高载硫（8.3 mg cm?2）和贫电解液（5.0 μL mg?1）条件下仍具备6.0 mA h cm?2的面积容量与优异循环稳定性。

　　

锂硫（Li–S）电池的实际商业化应用主要面临两大难题：缓慢的硫氧化还原转化动力学（sulfur redox conversion kinetics）以及有害的多硫化物穿梭效应（polysulfide shuttling）。作为一种“外部”优化策略，功能性中间层（functional interlayers）通过其精巧的空间-化学多维工作机制，展现出提升电池性能的巨大潜力。本文通过直写成型（Direct Ink Writing, DIW）三维打印技术设计并制备了一种氮掺杂三维碳（3D-NC, Nitrogen-Doped 3D Carbon）功能中间层。该精确构建的三维结构为硫提供了丰富的活性位点，并建立起连续的三维电子导电网络，既能有效抑制多硫化物的迁移，又能同步优化硫转化反应动力学。最终制备的锂硫电池在硫负载量为3.0 mg cm^?2时，在0.2 C电流密度下可提供955.4 mA h g^?1的优异比容量，并在100次循环中实现了每循环90.2%的出色容量保持率。此外，即使在8.3 mg cm^?2的高硫负载和5.0 μL mg^?1的贫电解液条件下，该电池仍可实现6.0 mA h cm^?2的显著面积容量和良好的循环寿命。作者声明无利益冲突。