锂硫电池被认为是最有前景的下一代高比容量储能装置，但由于体积膨胀和多硫化物的溶解导致容量迅速衰减，限制了其实际应用。针对这些问题，本论文通过先进的吡咯蒸气聚合技术，设计了一种理想的聚吡咯@硫@石墨烯气凝胶（PPy@S@GA）三维（3D）结构作为高效硫载体。GA具有互连的三维多孔结构，为电子和离子转移通道提供了优异的导电网络，并为多硫化物提供了物理屏障或吸收剂。此外，具有极性氮的PPy涂层进一步加强了物理约束和化学吸附。PPy@S@GA三维结构电极在0.5 C倍率下，提供了优异的首次放电比容量1135 mAh g^-1，循环500次后容量为741 mAh g^-1，容量衰减每圈低至0.031%，优于硫电极和S@GA电极。这些结果表明，GA作为进一步包覆PPy的硫载体，是一种极具发展前景的高性能锂离子电池阴极。


Scheme 1. PPy@S@GA复合材料合成工艺的三个步骤示意图：(I)原位自组装工艺获得3D多孔石墨烯水凝胶包覆硫前驱体，(II)冷冻干燥前驱体，(III)VPP法使吡咯单体覆在S@GA气凝胶表面。


Figure 1. S@GA和PPy@S@GA复合材料的(a)XRD图和(b)拉曼光谱；(c) PPy@S@GAs、S@GAs、PPy@GAs以10℃/min的升温速率在30-500℃内的热失重曲线；(d)PPy@S@GA的拟合高分辨率N1s XPS谱。


Figure 2. (a,b) S@GA和(c,d) PPy@S@GA不同放大倍数的SEM图；(e,f) S@GA和(g,h) PPy@S@GA不同放大倍数的TEM和HRTEM图；(i) PPy@S@GA复合材料单个粒子的STEM 图，以及(j)碳、(k)氮和(l)硫的元素映射。


Figure 3. (a) PPy@S@GA电极前五个周期的CV曲线；(b) PPy@S@GA、(c) S@GA和(d)硫电极选定周期的充放电曲线；PPy@S@GA、S@GA和硫电极在电流密度(e) 0.1和(f) 0.5 C时的循环性能；PPy@S@GA、S@GA和硫电极在0.5 C循环500次后的(g)倍率性能和(h)阻抗谱。


Figure 4. (a)硫电极和(b) PPy@S@GA电极在Li-S电池中的示意图。(c) S、S@GA和PPy@S@GA电极浸泡在DOL/DME溶液中的照片。(d) PPy@S@GA、S@GA、S电极循环200次后在DOL/DME溶液中的紫外/可见吸收光谱。
        相关研究成果与2019年由湖北大学Jianwen Liu课题组，发表在ACS Appl. Mater. Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.9b04167）上。原文：Integrated Polypyrrole@Sulfur@Graphene Aerogel 3D Architecture via Advanced Vapor Polymerization for High-Performance Lithium−Sulfur Batteries