近期,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟與中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員楊明輝合作,設(shè)計出催化劑-碳-催化劑“三明治”結(jié)構(gòu)的、具有緊湊型二維催化-導(dǎo)電界面的硫宿主材料,實現(xiàn)高穩(wěn)定性的鋰硫電池。

鋰硫電池(Li-S)相對于傳統(tǒng)鋰離子電池具有更高的理論能量密度(2500 Wh/kg),有望成為未來儲能應(yīng)用(包括大規(guī)模智能電網(wǎng)、電動汽車和移動電子設(shè)備等)最有前景的候選體系之一。近年來,人們提出了多種策略來嘗試實現(xiàn)鋰硫電池的商業(yè)化,如開發(fā)新型正極復(fù)合材料、中間層或隔膜裝飾、多功能粘結(jié)劑和電解液添加劑等。其中,針對硫正極的微結(jié)構(gòu)設(shè)計可以對硫基活性物質(zhì)產(chǎn)生最直接的限域效應(yīng),極性宿主材料的引入可以更進一步地增強對鋰多硫化物的化學(xué)吸附,從而提高電池循環(huán)穩(wěn)定性。但是非碳極性宿主固有的低電子導(dǎo)電性通常導(dǎo)致低的硫利用率,尤其是在高負載下硫分布不均勻時這種劣勢更為凸顯,因此,探索更具導(dǎo)電性的極性宿主材料及其與碳骨架的充分接觸方式十分必要。

近期,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟與中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員楊明輝合作,設(shè)計出催化劑-碳-催化劑“三明治”結(jié)構(gòu)的、具有緊湊型二維催化-導(dǎo)電界面的硫宿主材料,實現(xiàn)高穩(wěn)定性的鋰硫電池,相關(guān)成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie(2020,doi.org/10.1002/anie.202004048)上。

金屬氮化物的d-軌道相互重疊,其電子電導(dǎo)率與金屬相當,并且在吸附鋰多硫化物方面是理想的極性材料,具有促進電荷轉(zhuǎn)移和潛在電催化的作用。然而,金屬氮化物在碳骨架中的復(fù)合方式有限,通常只是納米顆粒氮化物與碳骨架的點-點或點-面接觸,接觸面積有限,以致電荷傳輸能力受限,因此建立極性宿主顆粒(或位點)與碳骨架之間足夠接觸的連續(xù)界面(面-面接觸)仍是一個挑戰(zhàn)。另外,空載和非極性體積空間通常在松散的硫宿主框架中占較高的比例,離散的催化劑納米晶域和導(dǎo)電基底之間的點接觸無法消減這類非催化活性空間的占比,這一現(xiàn)象會阻礙高載量鋰硫電池的發(fā)展。合理的正極設(shè)計和微結(jié)構(gòu)復(fù)合可以使空載和非極性體積空間最小化,有望促進緊湊型鋰硫電池的發(fā)展。基于此,該團隊提出了一種具有連續(xù)二維催化-導(dǎo)電界面的兼具催化和電子轉(zhuǎn)移功能的MoN-C-MoN “三明治”宿主結(jié)構(gòu)作為鋰硫電池的硫正極宿主材料。這種三層結(jié)構(gòu)沿厚度方向存在于單個納米片顆粒中,促使了雙面外層氮化物極性表面對S/Li2Sx的強保形吸附和高效轉(zhuǎn)化,以及中間碳夾層的高通量電子轉(zhuǎn)移。這些二維形貌的“三明治”結(jié)構(gòu)單元可進一步自組裝成有序的三維織構(gòu),進一步加強了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和催化網(wǎng)絡(luò)的互連。

即使宿主骨架的比表面積低(97 m2/g),吸附/催化平面的最大程度的暴露使得MoN-C@S電極在高S負載(75.7 wt%)和1C(1C = 1672 mA/g)倍率下仍可穩(wěn)定循環(huán)至少1000圈,且每圈容量衰減率僅為0.033%,即使在4C高倍率下比容量也可維持在515 mAh/g。將S含量增加到3.4 mg/cm2后,這種三層結(jié)構(gòu)的緊致硫宿主仍然表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性,在500圈循環(huán)后其容量仍能保持在604 mAh/g。這種催化和導(dǎo)電功能之間的協(xié)同工作模式保證了S/Li2Sx的均勻沉積,避免了它們在高倍率和長時間循環(huán)后的電極厚化和失活(電極鈍化)。該工作報道的螯合-氨化方法為C和MoN相的有序分離和面-面接觸提供了保證,也為二維氮化物的制備提供了新的合成方法。

以上研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助和支持。

催化劑-碳-催化劑“三明治”結(jié)構(gòu)作為緊湊型二維硫宿主材料助力高穩(wěn)定性鋰硫電池

 催化劑-碳-催化劑“三明治”結(jié)構(gòu)作為緊湊型二維硫宿主材料助力高穩(wěn)定性鋰硫電池

[責(zé)任編輯:陳語]

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