中空碳球由于良好的導(dǎo)電性、高的比表面積、可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)和低的密度，是高載量硫宿主材料的理想之選。目前，中空碳球主要由模板法制得，過(guò)程復(fù)雜且試劑有害。該團(tuán)隊(duì)提供了一種基于自犧牲模板法合成N/O雜原子雙摻雜的中空碳微球的合成方案。采用微米級(jí)的球形碳氮聚合物(g-C3N4)作為自犧牲模板和富氮的前驅(qū)體，在外層包覆PDA，通過(guò)簡(jiǎn)單的高溫碳化方法去除內(nèi)層的碳氮聚合物模板，同時(shí)外部PDA碳化為多孔納米片，從而得到N/O雜原子雙摻雜的中空碳微球(HCMs)。HCMs有著大量多孔納米片組成的殼，具有高的比表面積(873 m2/g)和孔容(4.84 cm3/g)，其N和O含量可達(dá)5.36和6.99 atom%。得到的HCMs-S電極由于其物理限制效應(yīng)、親鋰吸附和催化轉(zhuǎn)化等優(yōu)點(diǎn)，在2C大倍率下的可逆容量約為900 mAh/g，900次循環(huán)后的保留容量約為530 mAh/g。即使在高硫含量(90%)和載量(4.84 mg/cm2)的條件下，也得到了700 mAh/g的優(yōu)異可逆容量。長(zhǎng)期高倍率的循環(huán)不影響正極端納米結(jié)構(gòu)Li2S的均勻沉積，負(fù)極端的鋰沉積也沒有枝晶生成。該工作開發(fā)了一種可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)C-S顆粒和高載量鋰硫電池的簡(jiǎn)便方法，其碳宿主微結(jié)構(gòu)以二維結(jié)構(gòu)單元自組裝成的三維骨架為特征，具有豐富的內(nèi)部連通的質(zhì)量/電荷傳輸通道。相關(guān)成果發(fā)表于Energy Storage Materials(2019, DOI: 10.1016/j.ensm.2019.06.009)上。

二維層狀多孔碳具有比表面積大、導(dǎo)電性好以及催化活性位點(diǎn)易鋪展調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地負(fù)載硫分子，減緩硫電極的體積膨脹效應(yīng)，加快電子和離子傳輸，而且二維層狀結(jié)構(gòu)也可以增加多硫化物與催化活性位點(diǎn)的接觸。該團(tuán)隊(duì)使用MgCl2·6H2O同時(shí)作為高溫溶劑和造孔劑，其在900 ℃高溫碳化富氮的生物質(zhì)腺嘌呤(Adenine)時(shí)起到交聯(lián)模板作用，且輔以少量的CoCl2·6H2O摻雜，最后得到共摻雜Co/N作為雙親鋰-親硫位的二維層狀結(jié)構(gòu)交織的石墨化多孔碳(Co-CNCs)，其具有褶皺的整體形貌特征。受益于其豐富的層間體積、穩(wěn)定的石墨化結(jié)構(gòu)、均布的化學(xué)吸附位和電催化活性位點(diǎn)，S@Co-CNCs在0.2C的初始容量為1290.4 mAh/g，在大倍率為2C時(shí)可穩(wěn)定循環(huán)至少600圈，且具有極小的每圈循環(huán)衰減率(0.029 %)，其倍率性能測(cè)試可容忍20C的超高倍率。另外，即使在92.33 wt%的超高硫含量時(shí)，H-S@Co-CNCs電極能在5 μl/mg的極低E/S(電解液體積/硫質(zhì)量)比下穩(wěn)定倍率循環(huán);H-S@Co-CNCs在9.7 mg/cm2的高面積載量下，以6 mAh/cm2的面容量可穩(wěn)定循環(huán)至少100圈。該復(fù)合正極可在大倍率長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)下仍然維持完整的初始形貌，實(shí)現(xiàn)均勻的S/Li2S 電沉積，而且該鋰硫電池的負(fù)極無(wú)明顯枝晶形成。相關(guān)成果發(fā)表于ACS Nano(2019, 13, 9520-9532)上。