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锂硫电池新突破 湖南大学提升正极材料载体电化学性能

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发表于 2019-7-7 11:04:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
锂硫电池因其高的理论容量、低成本、环境友好以及资源丰富而引起了很大的重视,被视为下一代的储能设备之一。但是,锂硫电池的商业化和实用化仍存在一些挑战。锂硫电池存在以下缺点:

硫单质以及其放电的产物Li2S、Li2S2的导电率很差,会严重影响电化学反应的动力学,因此降低了活性物质的利用率,也会严重限制其在高倍率条件下的电化学性能;
在充放电期间,中间产物为不同链长的多硫化物,其中一部分中间产物可溶于电解液,当电解液中多硫化物的浓度高到一定程度时,由于浓度梯度的驱使,这些多硫化物会“逃离”正极的束缚,扩散到隔膜上,并穿过隔膜到达负极,在负极上继续发生电化学反应。这些多硫化物在负极上进行的氧化还原反应,不仅没有容量贡献,并导致有效活性物质的减少,而且对锂负极有腐蚀作用,造成锂硫电池容量的快速衰减。

电极材料结构的构建和优化是提高锂硫电池电化学性能的主要途径。最常见的方式是将硫与碳材料进行复合,利用碳材料优异的导电性以及其形貌的多样性和可控性来提高硫的导电性并抑制多硫化物的体积膨胀和溶出。但具有孔结构的碳材料主要是通过物理阻碍作用抑制多硫化物的溶出,效果有限。采用物理和化学双重限域作用,同时提高多硫化物的转化速率是进一步改善性能的有效策略。

对碳材料进行杂原子掺杂不仅能保留碳材料的高导电率,而且这些杂原子能增强碳基底对于多硫化物的吸附作用,从而在一定程度上减少多硫化物的溶出。另外,金属化合物由于其具有更大的极性,不仅对多硫化物这些极性分子的吸引力更强,其相互作用可以达到1~5 eV。,而且有效提高多硫化锂的反应动力学,从而显著提高锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。

湖南大学材料科学与工程学院陈小华教授与刘继磊教授联合南洋理工大学申泽骧教授,通过溶剂法得到了以有机金属框架(MOF)为前驱体的钴氮化合物/氮掺杂碳复合材料。在有机金属框架的结构中,金属原子与有机链之间均匀分布,因此有利于得到金属化合物均匀分散在碳基底中的复合材料。这种复合材料作为锂硫电池电极材料具有以下几点优势:

相对普通的碳材料,氮掺杂的多孔碳材料具有对电解液更好的浸润性,且与多硫化物之间的相互作用力更强;
纳米片碳骨架为多硫化物的氧化还原反应提供了大量的反应位点,有利于提高反应的动力学;
纳米尺寸的Co4N均匀地分布在碳骨架中。通过理论计算得到,Co4N与多硫化物之间存在强的相互作用,可以很好地吸附多硫化物,从而提高多硫化物的利用率,得到更高的充放电容量和循环稳定性。

基于此,氮掺杂碳骨架与Co4N的复合有效地提高了其作为锂硫电池正极材料载体的电化学性能。通过与对照组实验对比,包括单质钴/氮掺杂碳复合材料和去除钴后的材料,证明了Co4N对提高锂硫电池动力学性能的重要性。通过原位ESI的测试,研究了电池充放电的扩散系数,证明在整个充放电的过程中,MOF-Co4N基锂硫电池表现出更快的动力学。该过渡金属氮化物与碳材料的复合材料设计,在锂硫电池中表现出了其优势。

相关论文发表在《Small》上。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201901454

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