锂硫电池的能量密度高达2600 Wh kg^-1，是极具有应用前景的下一代二次电池。然而，硫正极的几个重要的科学问题严重影响锂硫电池的电化学性能，包括：可溶性多硫化锂的穿梭问题，硫正极循环过程中的体积膨胀问题，硫及其放电产物（硫化锂）的电子绝缘问题。迄今为止，众多碳基或碳基/金属化合物纳米材料已被作为硫载体而被广泛研究，锂硫电池的性能得到了显著提升。然而，纳米尺度电极的孔隙率往往较大（>70%），需要使用高电解液/硫比（E/S> 15μL mg^-1）来协助实现其活性物质利用率和电化学性能，此举严重降低了锂硫电池的能量密度。在不影响硫正极活性物质利用率和性能的前提下，通过降低电极的孔隙率来降低E/S值，对于实现高能量密度的锂硫电池具有重要的意义。

近日，孙永明教授课题组提出了一种大块硫/石墨烯颗粒电极，该电极的孔隙率约为~41%、硫载量约为9.0 mg cm^-2，其中硫被限制在垂直排列的石墨烯纳米通道中（宽度~12 nm）。石墨烯纳米通道强大的化学吸附能力（杂原子含量达11.9 at%）和毛细效应有助于锚定多硫化锂并调节硫化锂的沉积，而垂直于集流体的纳米通道有助于电解液的渗透和离子传输。因此，大块硫/石墨烯颗粒电极在E/S约为2.5 μL mg^-1情况下，活性物质利用率达72.4%、面容量达10.9 mAh cm^-2，该电极实现了520 Wh kg^-1的质量能量密度、1635 Wh L^-1的体积能量密度以及稳定的循环性能。本工作通过对硫电极的孔结构设计，解决了低孔隙率、高负载的硫电极中所存在的活性物质利用率低和反应动力学慢等问题，为高性能、高能量密度的锂硫电池的研究提供了新思路。

图1.大尺度硫/石墨烯单颗粒电极的示意图。

图2.（a, b）石墨烯基颗粒的SEM图；（c）石墨烯基颗粒的元素分布图；（d）石墨烯基颗粒的XPS总谱图；（e）石墨烯基颗粒的高分辨XPS N1s谱图；（f）石墨烯基颗粒和硫/石墨烯基颗粒的氮气吸脱附等温线

图3.（a, b）硫载量为~4.1 mg cm^-2的大块硫/石墨烯颗粒电极在不同扫描速率下的CV曲线（a），以及扫描速率的平方根（v^0.5）与峰电流的关系（b）；（c-e）硫载量约为4.1 mg cm^-2且E/S值约为4 μL mg^-1的大块硫/石墨烯颗粒电极的倍率性能（c）、恒电流充电/放电曲线（d）和循环性能（e）；（f）硫负载为9.0 mg cm^-2的硫/石墨烯颗粒电极的循环性能，其中E/S值约为2.5 μL mg^-1；（g）比较硫/石墨烯颗粒电极和文献报道的硫正极的能量密度

2022年7月11日，Nano Letters 线上刊发了题为 Realizing high utilization of high-mass-loading sulfur cathode via electrode nanopore regulation 的相关研究成果。该研究工作第一完成单位为华中科技大学武汉光电国家研究中心，得到了国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c02258