鋰硫電池由于具有很高的理論比容量(1675mAh/g)和高能量密度(2600Wh/kg)，因而成為了備受矚目的最有前景的新一代儲能系統之一。但是，由于硫的導電性差，充放電過程中可溶性多硫化鋰的“穿梭效應”以及其緩慢的氧化還原反應，導致鋰硫電池實際容量不足且循環穩定性較差，因此其商業化進程受到嚴重阻礙。通過合理設計分級多孔的復合材料，使其綜合具備優異的導電性能，對硫的良好分散性能以及對充放電過程中可溶性多硫化鋰(LiPSs)的較強的吸附性能和催化轉化性能，就有可能同時解決目前鋰硫電池中的諸多問題，使得鋰硫電池往實際應用方向邁進一步。

最近，基于密度泛函理論(DFT)計算結果和高效低成本及環境友好的設計理念，湖南大學化學化工學院曠亞非教授、周海暉教授課題組報道了一種基于生物質和硫酸亞鐵前軀體制備的超薄Fe3C納米片均勻生長在介孔碳上的新型復合材料，將其作為鋰硫電池的正極硫載體材料時，表現出優異的容量性能(在0.1C的電流密度下初始容量高達1530mAh/g)和超長的循環穩定性(0.5C下1000圈循環后仍能保持920 mAh/g)。該工作由湖南大學李煥新博士(第一作者)完成，文章發表在國際頂級期刊Energy Storage Materials上(即時影響因子：13.31)。

該工作是一個理論指導實踐的成功案例。首先，通過DFT理論計算結果，預測了二維Fe3C超薄納米片形成的可能性。DFT計算表明：Fe3C晶體在(220)晶面的表面能遠低于與其垂直的另外兩個晶面的表面能。因此推斷，若在高溫條件下使Fe3C晶體自由生長，(220)晶面的生長應該受到抑制而與其垂直的晶面則快速生長，最終形成二維的Fe3C納米片。接著，基于成本低廉且環境友好的設計理念，基于廢棄生物質和綠色的鐵鹽前軀體在惰性氣氛下高溫煅燒，成功制備了Fe3C納米片@介孔碳復合材料。繼續通過DFT理論計算Fe3C晶體對多硫化鋰的吸附和催化轉化能力，結果表明：Fe3C對多硫化鋰具有很強的吸附能力(吸附能：-3.85 eV)，更值得注意的是，Fe3C對多硫化鋰的S-S鍵具備很強的活化能力(兩個S-S鍵的鍵長有明顯的增大)，這將有利于的多硫化鋰的快速催化轉化。因此，該Fe3C納米片@介孔碳復合材料用作鋰硫電池的正極硫載體材料時，介孔碳構成了用于分散硫物種的導電網絡，而Fe3C納米片在電子傳輸，多硫化鋰的吸附和催化轉化過程中都起著重要的作用，使得鋰硫電池面臨的幾個關鍵性的難題同時得到了解決。同時，該工作在原料選取，成本控制和環境問題等方面都做了詳細的考量，為鋰硫電池的商業化實際應用打下了堅實的基礎。

圖1 (a) 制備過程示意圖; (b) Fe3C納米片形成示意圖; (c) DFT理論計算表明Fe3C納米片的形成機理.

DFT理論計算表明：Fe3C對多硫化鋰具有很強的吸附能力(吸附能：-3.85 eV)和催化轉化能力。

圖 2 (a) Li2S6在Fe3C上最優吸附結構的俯視、側視和正視圖; (b) Li2S6在Fe3C上吸附前后的結構和鍵長變化

基于廢棄生物質和綠色的鐵鹽前軀體在惰性氣氛下高溫煅燒，成功制備了Fe3C納米片@介孔碳復合材料，形貌結構表征結果表明：Fe3C納米片只有~1 nm，且都均勻生長在介孔碳的表面。

圖3. (a) Fe3C納米片@介孔碳復合材料的電鏡圖; (b) 透射圖; (c) 高分辨透射圖; (d) 原子力顯微鏡圖; (e) EDS分析; (f) C, N and Fe的EDS mapping圖; (g) XRD圖譜; (h) Fe 2p的XPS高分辨圖譜; (h) BET分析

圖4 | Fe3C-MC/S電極形貌和吸附性能.(a) 掃描電鏡圖; (b) 透射電鏡圖; (c) EDS mapping圖; (d) 純Li2S6溶液和加入了MC與Fe3C-MC材料的光學圖片; (e,f) MC/S與Fe3C-MC/S電極循環前后阻抗圖譜; (g) 拉曼圖譜; (b) 電池循環后的電極和隔膜圖片

隨后，作者通過電化學測試研究了Fe3C-MC/S電極的性能，結果表明：該復合材料表現出優異的容量和倍率性能，在0.5C的電流密度下循環1000圈，比容量能穩定保持920mAh/g，即使在大電流5C的電流密度下，其比容量仍能穩定保持727mAh/g。其表現出優異電化學性能的可能原因：(1)Fe3C-MC復合材料中的多孔碳為硫物種的存儲和體積膨脹提供了足夠的空間;(2)Fe3C本身具有優異的導電性能，有利于載流子的快速遷移實現優異的倍率性能;(3)二維超薄的Fe3C納米片為多硫化鋰的固定和轉化提供了足夠的吸附和催化位點，很好地抑制了多硫化鋰的穿梭效應。

圖 5 | (a) MC和Fe3C-MC的CV曲線; (b) Fe3C-MC前5圈的CV曲線; (c) 倍率性能; (d) 充放電曲線; (e) 循環1000圈的容量性能.

鋰硫電池的單位面容量決定了其實際應用價值，作者進一步研究了該復合材料在不同硫載量下的性能，結果表明：所制備的Fe3C-MC復合材料表現出極佳的應用前景。即使在硫的載量達到9.0mg/cm^2時，該電極在循環100圈后容量仍然保持了699.0mAh/g，這相當于6.291mAh/cm^2的面容量，遠高于商業化應用4.0mAh/cm^2的要求。這可能是由于復合材料中介孔碳巨大的空隙為單質硫提供了足夠的容納空間，同時表面的Fe3C納米片有效地對充放電過程中產生的多硫化鋰進行吸附和轉化，極大地提高了鋰硫電池的循環穩定性。

圖 6 | (a) 不同硫載量下的循環穩定性; (b) 不同硫載量下的比容量; (c) 不同硫載量下的面容量

材料制備過程

首先，將玉米芯球磨成細粉，在濃硫酸中60℃下預處理2小時，直到黃色粉末變成黑色。然后將其徹底洗滌干凈并干燥，將預處理的玉米芯與硫酸亞鐵均勻混合。最后，在N2氣氛800℃下煅燒2小時，即可得到得到Fe3C-MC復合材料。作為對比，將不添加硫酸亞鐵的預處理玉米芯在同樣條件下進行煅燒得到介孔碳(MC)。