第二章 文獻回顧
2.4 鋰硫電池陰極材料
為了要改善鋰硫電池的問題，如：穿梭效應，元素硫的低導電性及 充電過程中硫的體積變化大，近年來許多學者致力於研究陰極材料，
而一個理想的陰極材料需具備 (1) 足夠的機械強度去克服硫體變化 大的問題 (2) 高導電性，可增加電子傳導的能力，以增加活性物質 的利用率 (3) 利用物理或化學吸附捕捉多硫化物，抑制穿梭效應。
2.4.1 奈米碳纖維/硫複合材料
Ji 等人14將 poly(acrylonitrile) (PAN) 和 poly(methyl methacrylate) (PMMA) 作為前驅物利用電紡絲法和碳化製備出 porous Carbon Nanofibers (CNFs)，如圖 2-7 所示，並透過化學沉積法將 porous CNFs 進一步與硫複合。由於 porous CNFs 能提供快速的電子傳輸路 徑及材料本身的強吸附性質可以吸附多硫化物抑制穿梭效應，而展現 優秀的電化學性能， 1400 mA h/g 的初始電容量及超過 30 個循環 後還有 ~80% 的電容量保留率。
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圖 2-7 Porous CNFs 製備方法及 SEM 圖14
Li 等 人 15 製 備 出 同 軸 電 纜 結 構 碳 材 ， Hollow carbon- nanofiber@nitrogen-doped porous carbon (HCNF@NPC) ，如圖 2-8 所 示，此碳材是 HCNF 外圍被 NPC 所包覆。中心的 HCNF 作為電 子傳導通道，外殼 NPC 則能捕捉硫/多硫化物並提供 Li+ 導電路徑，
此複合材料在 837.5 mA h/g 高電流密度下，經過 200 個循環有 63% 的電容量保留率。
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圖 2-8 HCNF@NPC 製備方法及循環壽命圖15
2.4.2 多孔碳材
碳材因為孔洞大小不同能分為微孔 ( Micropore ( < 2 nm ) )、介孔 (中孔) ( Mesopore ( 2~50 nm ) ) 與巨孔 ( Macropore ( > 50 nm ) ) 三 種大小，而不同孔洞大小的碳材做為正極材料會有各自的優缺點。
Xin 等人16提出 microporous carbon (MPC) 複合材料，透過空間 的限制硫只會以 S2-4 小分子形式存在微孔中，在充放電過程中只會 形成 Li2S，如圖 2-9，能避免 S5−8 形成多硫化物溶於電解液中，抑 制穿梭效應，展現出良好的循環電性，經過 200 次循環後電容量為 1142 mA h/g ，但是微孔碳材的硫附載量會受到限制。
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圖 2-9 小分子 S2-4 充放電過程中形成 Li2S 示意圖16
Ji 等人17製備出高規則有序的中孔碳材 CMK-3，透過熔融擴散法，
在 155 ℃ 下硫黏度最低易擴散至碳材孔洞中，以達到碳材與硫複合，
如圖 2-10 ，硫含量為 70%。CMK-3 的中孔結構能提供 Li+ 和硫反 應的通路，透過材料本身的吸附性質捕捉多硫化物，而展現出 1400 mA h/g 高初始電容量。
圖 2-10 CMK-3 與硫複合步驟及結構示意圖17
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2.4.3 修飾碳材
碳材本身的高導電性及高機械強度雖然能克服鋰硫電池中硫的 低導電性和體積變化大的問題，但透過物理吸附來捕捉多硫化物的效 果還是有限的，所以如果能對碳材做進一步的修飾增強捕捉硫化物的 能力，便能有效抑制穿梭效應，增加循環壽命。
Zheng 等人18提出利用兼具親水及親油特性的聚合物修飾碳材表 面，使非極性的碳材和極性 LixS 間產生強烈的相互作用。作者選用 polyvinylpyrrolidone (PVP) 修飾 hollow carbon nanofiber ，透過 PVP 上的氧分子與 LixS 中的 Li+ 產生鍵結，鍵結能量為 1.29 和1.01 eV
，如圖 2-11，來抑制多硫化物的擴散，透過修飾而達到在 0.5 C 的 電流密度下，經過 300 個循環後還有 80% 的電容量保率。
圖 2-11 PVP 修飾 Hollow carbon nanofiber 結構示意圖18
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