【48812】东华大学朱美芳院士团队以木质素为质料制备柔性碳纳米管薄膜作为锂硫电池主极资料

  木质素具有较高的碳含量和芳香族结构，是抱负的碳源。可继续发展和环境保护意识的进步，促进了人们对可再生木质素生物质衍生碳资料在动力范畴运用的爱好。跟着对绿色高功能储能资料需求添加，木质素碳资料展现出巨大的运用远景。近年来，人们经过不同办法，从木质素中制备了很多碳资料。可是，木质素衍生碳纳米纤维薄膜和生物碳复合膜的耐性较差，约束了其在高功能柔性电池运用。

  针对以上问题，东华大学朱美芳院士团队提出了一种从木质素大规模组成柔性CNT薄膜的简略办法：选用起浮催化化学气相堆积法组成具有高耐性和导电性的CNT薄膜。柔性CNT 薄膜能直接作为电极运用，避免了额定的粘结剂和导电碳，有助于进步电池的单位体积内的包括的能量。这些特性使CNT薄膜适用于制作Li-S电池的柔性主体资料，一起高柔耐性使其成为可折叠软包电池的抱负电极资料。该作业是朱美芳院士团队近期在可再生生物质高值转化范畴的最新进展之一。在曩昔的几年中，为了呼应国家“双碳战略”，进步生物质资源的运用率，团队还提出了一种运用FCCVD法来制备生物质衍生碳纳米管纤维的新策略，运用该办法制备的碳纳米管纤维拉伸强度和电导率别离能够到达1.33GPa和1.19 × 105 S m-1，高于现有生物质衍生碳纤维（Nat. Commun.， 2022， 13(1): 5755.），该办法还能够拓宽到其他生物质（Green Energy & Environment， 2023， 8(6): 1711-1718.）。团队为了扩宽木质素加工办法和下降碳纤维的运用本钱，还运用熔喷和碳化等技能工艺研宣布能够大规模制作的低本钱、高导电木质素基碳纤维毡，用于传感器、催化资料和新动力等范畴（Int. J. Biol. Macromol.， 2022， 216:388-396. Materials Horizons， 2023， DOI: 10.1039/D3MH01027A）。

  经过将木质素溶解得到均匀的木质素溶液。运用蠕动泵将木质素溶液接连输送到管式炉中，木质素溶液在炉内高温加热下分解为单环芳烃（MAHs）。在1400°C下，这些MAH能愈加进一步热解成小分子气体，其间CO首要用作碳源组成CNT。高温下出产的MAHs由铁催化，硫促进CNT的组成。组成的碳纳米管在氩气流的载体下进一步拼装成空心管状气凝胶，运用反向旋转的双辊使CNT气凝胶细密化。环绕一段时间后，得到必定厚度的木质素基CNT薄膜，如图1所示。

  作者选用扣式电池对CNT薄膜作为锂硫电池的正极负载资料的电化学功能进行了测验。在0.1C（1C = 1675 mAh g-1）的电流密度下，根据CNT薄膜正极的初始比放电容量为∼1151.3 mA h g–1，在80次循环后，该容量坚持在∼891.0 mA h g–1，容量坚持率为77.4%，库仑功率坚持在挨近100%。作为对照，作者在相同条件下测验了商业碳纸（CP）作为锂硫电池的正极负载资料的电化学功能。在相同倍率下经过80次循环后，放电比容量仅为∼738.4 mA h g–1，如图2d所示。即便在2.0 C的高电流密度下，根据CNT薄膜的正极的放电比容量仍坚持在∼556.0 mA h g–1，而根据商业碳纸的正极的相对放电容量仅坚持在182.3 mA h g–1，如图2e所示，标明CNT薄膜的正极具有十分杰出的倍率功能。作者在0.5C和1.0C的电流密度下进行了长循环测验。经过200次循环后，根据CNT薄膜正极的放电比容量在 0.5和1.0 C的电流密度下别离坚持在∼706.1和435.3 mA h g–1，容量坚持率别离为87.1%和65.4%，如图2f所示。扣式电池测验标明根据碳纳米管薄膜正极的Li-S电池具有比较好的循环安稳性和优异的倍率功能，首要可归因于碳纳米管的结构缺点、边际碳和少数含氧官能团能够在碳纳米管薄膜上引发极性。较高的极性增强了CNT网络对多硫化物的吸附，按捺了“络绎效应”，并进步了循环安稳性，CNT薄膜的高表面积增强了导电剂和活性物质之间的界面，然后改进了电子传输，然后增强了反响动力学。

  （c）根据CNT薄膜的Li-S扣子电池在0.1、0.2、0.5C、1.0C和2.0C不同电流密度下的充放电曲线

  （d）由CNT薄膜基正极和CP基正极制备的Li-S扣子电池在0.1 C电流密度下80次循环的放电比容量

  （e）根据碳纳米管薄膜和CP的Li-S扣子电池在0.1、0.2、0.5、1.0和2.0 C不同电流密度下的比放电容量

  （f）根据碳纳米管薄膜的Li-S扣子电池在0.5和1.0 C电流密度下200次循环（前3次循环在0.1 C下活化）的比放电容量

  碳纳米管薄膜被用来制作柔性Li-S软包电池的原型，以进一步证明其在柔性电子设备中的潜在运用。图3a显现了由CNT薄膜基正极制备的Li-S软包电池的结构。如图3b，c所示，Li-S软包电池在∼1.7–2.8 V 的电压窗口内以0.1 C的电流密度循环。在0.1 C时，Li-S软包电池的初始放电比容量为∼1063.9 mA h g –1，在20次循环后，放电比容量坚持在∼1059.0 mA h g–1，库仑功率很安稳。此外，由拼装好的柔性软包电池在各种曲折状态下为LED灯供电，以演示实践运用。如图3d所示，不同曲折状态下的LED灯正常作业标明晰根据CNT薄膜的Li-S软包电池杰出的安稳性和柔耐性，可运用于可穿戴储能运用。

  该研讨团队长时间聚集在木质素衍生碳纳米管高值转化办法的树立和基础理论的研讨，选用FCCVD办法，经过木质素热解、雾化裂解、碳源溶解分出、碳纳米管拼装的过程，制备了木质素基CNT薄膜，能够直接用作Li-S电池的正极负载资料，一起CNT薄膜具有的高强度、高耐性和优异导电性，使其成为可折叠软包电池的抱负电极资料。因而，该研讨供给了一种将木质素高效转化为CNT薄膜的办法，为木质素的高价值化运用供给了新思路，也为开发绿色、可继续的柔性储能器材电极资料供给了新策略。