鋰離子電池是用于便攜式設備和一些電動車輛的最廣泛使用的能量存儲技術。但是鋰離子電池的能量密度實際上被限制到250-300W時千克。對于電動汽車和智能電網的實際用途還是不夠的，所以更高的儲能、能量密度和長壽命的技術與更低成本的材料才是以后發展的方向。在這方面，硫的可持續性，成本和理論比容量方面優于鋰離子電池陰極。硫陰極具有較低的硫利用率，較低的庫侖效率，較快的容量衰減和較短的循環壽命。此外，鋰金屬陽極由于其高反應性而強烈阻礙鋰/硫電池的商業化，這導致電解質的分解。在這里，通過選擇所有設計集成策略來合理地構建兩個電極的活性炭矩陣來實現鋰化硅硫全電池。對于陰極用氮硫摻雜的高表面積活性炭被設計為容納硫及其氧化還原物質。使用納米硅負載的活性炭復合納米纖維陽極可逆地合金化和脫合金。

　　納米硅/活性炭復合納米纖維陽極

　　圖1顯示出納米顆粒很好地嵌入活性炭納米纖維結構中，類似于核-殼結構。然而，可以在碳殼和硅核之間檢測到無定形二氧化硅。然而，在更高的放大率下，納米纖維的靜電紡絲顯示出一些中空的三維結構。這種結構的明顯變化可能是空隙結構的信號。

　　圖1：硅載納米纖維(a-c)和納米纖維的靜電紡絲(d-f)的透射電子顯微鏡成像。

　　分層超孔氮/硫摻雜活性炭/硫復合陰極

　　如圖2中的方案所示，通過分別在一個階段中同時活化和碳化聚吡咯和聚噻吩來制備氮和硫摻雜的分級高度多孔活性炭。聚吡咯和聚噻吩均以氯化鐵為氧化劑合成，收率100%。將聚吡咯和聚噻吩與氫氧化鉀均勻混合。將兩種混合物在800℃下加熱以同時實現化學活化和碳化，以獲得摻雜的活性炭。

　　圖2：使用氫氧化鉀作為活化劑從聚吡咯和聚噻吩合成氮氣摻雜和硫摻雜的活性炭的示意圖。

　　圖三所示聚吡咯活化的分級碳硫和聚噻吩活化的分級碳硫復合材料都沒有賦予任何表示元素結晶硫的峰，這反過來證實了硫不存在于活性炭結構中的假設。如圖a所示活性炭的X射線衍射光譜在24°和44°處顯示出兩個較寬的峰，證明了活性炭的石墨特征。b所示活性炭已經對硫，聚吡咯活化的分級碳硫和聚噻吩活化的分級碳硫進行了拉曼光譜，以評估復合物中硫的存在和碳的石墨化水平。c所示在聚吡咯活化的分級碳硫和聚噻吩活化的分級碳硫的拉曼光譜中，硫不會顯示其信號，這也意味著硫完全滲透到孔隙中。

　　圖3：硫聚吡咯活化的分級碳硫和聚噻吩活化的分級碳硫復合物的XRD衍射圖和拉曼光譜。

　　納米硅/活性炭陽極半電池

　　如圖4所示，從第一個循環的電壓分布中看出，兩個陽極的第一個循環的額外貢獻來自不可逆的固體電解質界面層形成和電解質分解。對于電化學表征，在紐扣電池配置中使用鋰金屬作為對電極對所有硅陽極進行恒電流充電和放電。裸露的十億分之一硅陽極在第一個循環中提供3445mAhg的放電容量，庫侖效率約為65%。從第二個循環開始，二氧化硅的硅載納米纖維陰極的比容量值急劇下降至2600mAhg，而納米纖維的靜電紡絲陽極顯示出邊際下降，比容量為4000mAhg-1，庫侖效率均為約91%。比容量的急劇下降可歸因于二氧化硅的硅載納米纖維中的二氧化硅殼在第一次循環中不可逆鋰化。 

　　圖4：二氧化硅的硅載活性炭復合纖維陽極與鋰箔的循環性能。

　　鋰化納米硅/納米纖維陽極與氮/硫摻雜的活性炭/硫陰極

　　為了證明設計單個電極的可行性和相關性，用鋰化硅/納米纖維陽極代替金屬鋰以實現0.鋰-硅/硫全電池。為此目的，陰極和陽極都應在半電池測試中實際實現的面積容量方面進行平衡。在全電池配置中，硅陽極的脫鋰與硫陰極的鋰化密切相關。換句話說，硫陰極的放電將遵循硅陽極脫鋰的潛在和容量分布。

　　圖5：活性炭載硅復合纖維陽極與氮硫摻雜活性炭陰極在面積容量和全電池截止電壓估算方面的平衡。

　　我們選擇了方便且可擴展的制造策略來合理地設計用于硫陰極和硅陽極的活性炭基質。對于穩定的硅陽極，已采用簡單的靜電紡絲技術來達到蛋黃-殼結構。對于陽極制造，所有設計集成策略通過交聯水溶性藻酸鹽粘合劑導致交互式粘合系統，以實現與硅納米纖維材料的互連。成功證明了通過兩個電極的邏輯設計可以實現多效鋰-硅/硫全能電池，從而避免硫分子中的關鍵原料和活性金屬鋰。所有設計使用標稱過量的鋰和電解質集成活性炭框架，使得能夠實現具有成本效益和高能量密度的存儲系統。

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