鋰硫電池被認為是極具發展前景的下一代電池體系，并成為高比能儲能器件領域的前沿研究熱點。但由于硫的電導率低、充放電中間產物多硫化物易溶于電解液，充放電時體積變化較大，鋰硫電池正極面臨著活性物質利用率低、循環穩定性差、庫侖效率低等問題，嚴重制約了其大規模商業化應用。

最近，我院2017級碩士研究生余志升等受課題組前期在分級多孔碳納米片、花型碳納米球設計合成及在鋰硫電池應用基礎研究工作(Adv. Energy Mater.2014, 4, 1301988、J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 6245)的啟發，創新提出一種中空碳球內部結構調控策略，設計合成了具有徑向向內對齊的倒刺結構中空氮摻雜碳小球，作為硫主體表現出高的容量和出色的循環穩定性。通過碳球內部硫分布表征、鋰離子擴散系數測定、多硫離子吸附試驗、循環前后硫正極結構變化、循環后鋰負極枝晶形成剖析，揭示其固硫機制，闡明性能提升原因為碳球內部碳刺可有效分散絕緣硫和硫化鋰、刺刺之間空隙和空心結構有效緩沖硫體積變化造成應變、氮原子摻雜碳層高效抑制多硫離子流失。此外，該新型結構的碳球有望拓展到其它儲能體系如鈉磷、鉀磷、硅基電池中應用。相關結果于近期發表在Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6406. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201914972) 上。

第一作者余志升為化材學院2017級化學專業碩士研究生，研究方向為微納結構材料物理化學，該工作在導師陳錫安副教授指導下完成。

圖新型結構碳球合成過程、微觀結構及在鋰硫電池中的應用