圖1. PANI-(CTAB-GO-S)納米復合材料的合成機理及其電化學性能研究（Nano Research，2014,7,1355-1363）
能源和環境是當今人類面臨的并得到世界各國高度重視的兩大問題，并被列為優先發展的重大科技領域。發展鋰電池、風力和太陽能發電等清潔能源系統，已成為現代能源產業的主流。鋰電池憑借其優越的性能及技術的革新，在儲能領域占據重要地位，但是電子設備和電動車的發展也對鋰電池提出了更高要求。
新興儲能系統——鋰硫電池具有理論能量密度高、成本低、環境友好等優點，其理論比容量和能量密度分別為1675mA h g-1和2600 Wh/kg，遠高于當前的鋰離子電池，從而迅速成為科學界和工業界的研究熱點，在新能源動力電池領域備受國內外研究者關注。
在國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張躍鋼課題組，圍繞納米硫與石墨烯復合材料的合成及鋰硫電池應用領域開展了廣泛研究。研究人員利用聚苯胺改進氧化石墨烯納米硫復合材料，有效減少電極材料的電荷傳輸電阻，抑制多硫化鋰的溶解，提高了復合材料的放電比容量、庫倫效率和循環穩定性（Nano Research，2014,7,1355-1363）。
圖2. S@NG作為導電基質材料對多硫化物的吸附和組裝的鋰硫電池電化學性能（Nano Letters，2014, 14, 4821−4827）
為進一步提高復合硫石墨烯納米材料的導電性，抑制多硫化鋰的穿梭效應，課題組成員進一步改進石墨烯氧化物，利用氨氣對氧化石墨烯進行氮化，并將S納米顆粒包裹于氮摻雜石墨烯片層中（S@NG）。以該復合材料組裝的鋰硫電池在不同倍率下均呈現出較高的比容量和穩定性，例如：0.2C時為1167 mA h g-1；0.5C時為1058 mA h g-1；1C時為971 mA h g-1；2C時為802 mA h g-1；5C時為606 mA h g-1。 該電池具有超長循環壽命，2000次充放電測試得到的每次循環平均容量衰減率僅為0.028%。該材料優異的性能歸功于氮摻雜石墨烯片層中N功能基團對多硫化鋰優異的吸附性，和氮參雜石墨烯優異的導電性，該研究結果也證實基于S@NG復合材料的鋰硫電池在便攜式電子、新型動力能源等儲能領域具有巨大的應用前景（Nano Letters，2014, 14, 4821−4827）。
圖3. 疏松S-G和致密的S-G復合材料的形成機理圖和電化學性能對比（Nano Energy， 2015，12，468-475）
此外，課題組成員運用低溫反應，減緩化學反應速率，在3D還原氧化石墨烯上負載均勻的硫膜，并在空氣中干燥使得3D還原氧化石墨烯孔洞收縮，得到致密的S-G復合材料，增強S與還原氧化石墨烯的粘附，固定納米硫和抑制多硫化物的溶解損失，提高了S石墨烯復合材料的比容量和循環穩定性（Nano Energy，2015，12，468-475）。
在過去一年，張躍鋼課題組在鋰離子電池、超級電容器和光電材料方面也取得了一定進展，比如五氧化二釩微米花作為鋰離子電池正極材料研究（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 1103-1109），氧化鈮納米片作為鋰離子電池正極材料研究（Scientific Reports 2015, 5, 8326），碳納米材料高能柔性電容器性能研究（Chem. Mater., 2015, 27, 1194–1200）和多級分叉二氧化鈦納米結構光催化性能研究（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 4004-4009 ）。
該系列工作得到了國家自然科學基金、中國科學院的大力資助，并得到蘇州納米所印刷電子部、測試和加工平臺的支持。
