锂硫电池以其极高的理论比容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600 Wh kg-1）在满足便携式设备、电动汽车和电网储能系统日益增长的需求方面有着巨大的潜力，近几年来引起了人们的极大关注。然而，单质硫及其放电产物（Li2S和Li2S2）的电子绝缘性、充放电过程中巨大体积变化、严重的穿梭效应以及锂金属负极的污染和腐蚀，这些因素都会导致硫利用率低（<80%）、循环寿命有限、容量衰减快和严重自放电的后果，制约了锂硫电池的实际应用和商业化进程。因此，设计能有效固定多硫化物，避免其溶于电解液的载硫材料或夹层材料是提高锂硫电池电化学性能的有效途径。
近期，山东大学熊胜林教授和奚宝娟副教授团队通过简便、环境友好的“分步浸润-碳化”的方法制备了Fe3O4纳米颗粒嵌入还原石墨烯包覆的纸基自支撑复合材料，其在电化学测试中表现出优异的性能。
该团队探索了一种以滤纸为骨架，通过毛细吸附和铅笔涂覆合成的自支撑、多功能、分级多孔的锂硫电极插层PC‖Fe3O4@rGO‖graphite，复合材料因其比表面积高、3D纤维交织网络，分级多孔结构，较强极性、导电性好等优点，促进了吸附多硫化物并阻碍其扩散穿梭，有利于电解液的疏导及锂离子和电子的快速传输，采用PC‖Fe3O4@rGO‖graphite作为插层，在不需要复杂合成过程或表面改性的情况下，使硫正极表现出高容量、长循环稳定性和超高倍率性能。
该论文“Loading Fe3O4 nanoparticles on paper-derived carbon scaffold toward advanced lithium–sulfur batteries”发表在Journal of Energy Chemistry 期刊上，第一作者为山东大学博士生韩建梅。
图1. （A）多功能夹层PC‖Fe3O4@rGO‖graphite的合成示意图，（B）带有多功能夹层的电池内部结构示意图
研究者首先利用毛细吸附作用把滤纸浸润进柠檬酸铁溶液中，经过石墨烯浸泡，8B铅笔在纸的两侧涂覆上一层薄的石墨，煅烧后制备了PC‖Fe3O4@rGO‖graphite多功能夹层。
图2. PC‖Fe3O4@rGO‖graphite的形貌和结构表征：（A-C）带状纤维表面不同放大倍数的FESEM图像，（D，E）不同放大倍率的TEM图像，（F）单个Fe3O4颗粒的HRTEM图像，（G）典型Fe3O4@rGO片的HAADF-STEM图像，（H，J）不同Fe3O4颗粒的HAADF-STEM图像，（I，K）分别为 (H，J)中标记部分的高倍HAADF-STEM图像，（L）STEM-EDX模式下Fe3O4@rGO片的元素分布，C（蔚蓝）、Fe（红色）和O（紫色）.
采用PC‖Fe3O4@rGO‖graphite作为插层，在不需要复杂合成过程或表面改性的情况下，硫正极表现出高容量、长循环稳定性和超高倍率性能。在1 C电流密度下，循环 500圈后可逆比容量为653 mA h g-1，在2 C、4 C、10 C电流密度下，循环500圈后可逆比容量分别为660，590和418 mA h g-1。即使在硫面载量高达8.05 mg cm-2时，在0.1 C电流密度下循环100圈，容量仍能保持在518 mA h g-1（4.17 mAh cm-2），容量保持率为第五圈的76.3%。
综上所述，PC‖Fe3O4@rGO‖graphite复合材料，有利于吸附多硫化物并阻碍其扩散穿梭，能够促进电解液的疏导及锂离子/电子的快速传输。绿色高效的合成策略对于探索和应用新型多功能夹层有一定的启发作用，也朝着先进锂硫电池的应用迈出了一步。
Loading Fe3O4 nanoparticles on paper-derived carbon scaffold toward advanced lithium–sulfur batteries.
Jianmei Han, Qiang Fu, Baojuan Xi, Xuyan Ni, Chenglin Yan, Jinkui Feng, Shenglin Xiong.
J. Energy Chem., 2021, 52, 1-11.
DOI: 10.1016/j.jechem.2020.04.002
奚宝娟，副教授，博士生导师，课题组一直从事无机固体材料的化学研究，主要以储能、光/电催化为导向对无机材料在纳米尺度、微纳结构方面进行晶体材料及其组装结构的普适制备、选择性合成进行方法学的探索，并且对材料在储能和光/电催化应用方面开展基础应用研究。近三年，以第一/通讯作者在Chem，Adv. Mater.，Nano Lett.，Adv. Energy Mater.，Chem. Mater.和J. Mater. Chem. A等刊物发表论文20余篇。
