发布时间:2021-09-14 11:14 原文链接: 锂硫电池新突破!具备高容量,高能量密度特征

  锂硫电池由于高的理论容量和能量密度以及硫的低成本和环境友好等优势被视为最有应用前景的高容量存储体系之一。然而,Li-S电池的商业化应用仍面临着固体硫化物的绝缘性,可溶性多硫化物的穿梭效应以及充放电过程硫的体积变化大等挑战。这些问题通常导致硫的利用率低,循环寿命差,甚至一系列安全问题。如何在高含硫和高载硫条件下同时实现锂硫电池高的质量容量、面容量、体积容量以及长循环寿命,已成为当前研究的热点之一。

  高重力、同位和体积容量以及长寿命是紧凑空间中锂硫 (Li-S) 电池应用的关键指标。硫磺宿主材料在实际部署中起着举足轻重的作用。在此,一种由氮、铜焦多孔碳(NBC)上的钴博里德(CoB)组成的新型异质结构纳米片,通过熔融盐辅助策略构建,使用ZIF-67封装ZIF-8作为前体进行报道。CoB/NBC-S电极受益于二元硫化物CoB和多孔NBC之间的强内部电子相互作用,在超长1500周期中表现出出色的循环稳定性,平均容量低0.013%,高速为5摄氏度。 值得注意的是,高硫含量为82wt%的电极和5.8毫克厘米的高硫负荷+2提供 1309 mA h g 的重力能力+1,均容量为7.59 mA h cm+2,体积容量为1355 mA h cm+3在 0.1 C.良好的电化学性能可与所报告纳米片硫阴极中的最先进的性能相媲美。本研究为金属博里德异构纳米片的设计提供了新的方法,实现了Li-S电池的能量密度和寿命。

  在国家自然科学基金(21975259, 21673241)、国家重点研发计划(2019YFA0210403)和中科院战略重点研究计划(XDB20000000)的资助下,中科院福建物构所结构化学国家重点实验室王瑞虎课题组利用ZIF-67包覆的ZIF-8作为前驱体,通过界面工程和形貌设计,构筑了一类异质结纳米片(CoB/NBC)作为硫的主体材料。该异质结组份间的电子相互作用诱导了界面间电荷的重新分布,有效促进了电子/离子的传输和多硫化物转化。CoB中的B和Co原子都能够键合多硫化物,表现出双亲硫特性,提高了原子利用效应。CoB/NBC的高导电性和催化效应能够促进多硫化物的氧化还原动力学,诱导Li2S的均匀沉积。CoB/NBC-S正极在高含硫和高载硫条件下,取得1309 mA h g-1的质量容量、7.59 mA h cm-2的面容量和1355 mA h cm-3的体积容量。该研究成果发表在Advanced Materials(Adv. Mater. 2021, 2102338, DOI: 10.1002/adma.202102338),第一作者是博士生李忠林。

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  CoB/NBC异质结纳米片的合成示意图

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