为了减轻锂硫电池 (LiSB)中的锂多硫化物 (Li-PS)穿梭，设计了一种独特的碳纳米管封装硫 (S@CNT)正极材料，在CNT壁上具有最佳开环尺寸(ORS)一种综合计算方法，然后进行实验验证。通过计算Li⁺离子通过CNT壁上ORS的传输势垒，并将溶剂和 Li-PSs与ORS的分子大小进行比较，预测具有16-30个周围碳原子的最佳开环以选择性地允许Li⁺离子传输 并蒸发硫，同时阻断Li-PS和溶剂分子。提出并模拟了CNT氧化过程以生成这些ORS，结果表明通过严格控制氧化参数可以实现最佳ORS。随后，通过实验合成了S@CNT正极，证实在475 K氧化的 CNT 中产生了最佳 ORS，并表现出更稳定的循环行为。
 
 
图 1.S@CNT 阴极合成过程示意图。
 
  
图 2. DFT 计算结果。不同尺寸的开口环的配置（a）。Eb、ORS和两个直径也被标记。
   对于14r环和18rA环，计算的配置(b)的总能量和Li(c)上的Bader电荷是d的函数。E_b概括为开环平均直径(d)的函数。
 
 
图 3. 锂原子、Li⁺、S₂、Li₂S₄、DME 和具有18rA环的DOL的分子大小比较。锂、硫、碳、氢和氧分别表示为紫色、黄色、灰色、白色和红色。
 
  
图4。在NVT系综下的代表性分子动力学模拟，在1000 K下给定氧碳比为1:3，以代表氧化过程中开环结构的演化。碳、氧和氢分别表示为灰色、红色和白色。
 
  
图 5. (a) S@CNT (raw)、(b) S@CNT (375 K)、(c)S@CNT (475 K)和(d)S@CNT(575 K)的HRTEM 图像5 nm的比例尺。氧化产生足够大的开环，仅在475 K以上才能有效填充硫。S@CNT阴极与未氧化的 CNT(e)和在375 K(f)、475 K(g)和575 K (h)不同温度下氧化的CNT 的循环性能。容量被归一化为电池第一次循环的完全放电容量。

       相关科研成果由马里兰大学和布朗大学John Cumings和Yue Qi等人于2021年发表在Nano Letters（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04247）上。原文：Carbon-Nanotube-Encapsulated-Sulfur Cathodes for Lithium–Sulfur Batteries: Integrated Computational Design and Experimental Validation。

转自《石墨烯研究》公众号