金鐘團(tuán)隊(duì)在高性能鋰硫電池復(fù)合正極材料方面取得新進(jìn)展
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院金鐘教授帶領(lǐng)的“先進(jìn)能源材料與器件課題組”在鋰硫電池正極材料方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果近期以《Cerium Oxide Nanocrystal Embedded Bimodal Micromesoporous Nitrogen-Rich Carbon Nanospheres as Effective Sulfur Host for Lithium−Sulfur Batteries》為題發(fā)表在ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03227）。南京大學(xué)博士研究生馬連波為論文第一作者，金鐘教授為通訊作者。
隨著便攜式電子設(shè)備以及電動(dòng)交通工具的不斷更新?lián)Q代，研發(fā)高性能的二次電池已經(jīng)成為新能源領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。鋰硫電池由于其高理論比容量（~1672 mAh g-1）和能量密度（~2600 Wh kg-1）而受到廣泛關(guān)注。另外，在自然界中，硫的儲(chǔ)量非常豐富，這也使得鋰硫電池在大規(guī)模應(yīng)用方面具有明顯的潛在優(yōu)勢。然而，鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用也存在一些待解決的問題，比如：單質(zhì)硫在鋰化時(shí)的體積膨脹、多硫化鋰中間體（Li2Sx）在電解液中的溶解擴(kuò)散、以及單質(zhì)硫和硫化鋰（Li2S）的低導(dǎo)電性等等。這些問題限制了鋰硫電池的性能和應(yīng)用推廣。
針對以上問題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于極性金屬氧化物/氮摻雜微介孔碳球復(fù)合物的鋰硫正極材料（圖1）。通過硝酸鈰溶液的水解，即可在氮摻雜微介孔碳球（MMNC）的孔隙內(nèi)部鑲嵌尺寸均一的氧化鈰（CeO2）納米晶。一方面，該復(fù)合結(jié)構(gòu)中碳球的微孔-介孔組合體系能夠有效緩沖單質(zhì)硫在鋰化時(shí)的體積膨脹、阻止多硫化鋰的穿梭效應(yīng)并提高了復(fù)合正極材料的導(dǎo)電性，另一方面，該復(fù)合結(jié)構(gòu)可以充分利用極性金屬氧化物對多硫化鋰的化學(xué)吸附以及電催化作用，達(dá)到進(jìn)一步限制多硫化鋰的目的（圖2）。以上兩種作用的協(xié)同效應(yīng)充分保證了鋰硫電池的高比容量以及高循環(huán)穩(wěn)定性。
作者通過調(diào)節(jié)CeO2/MMNC-S復(fù)合電極中的硫擔(dān)載量，獲得了電化學(xué)性能最優(yōu)化的鋰硫電池。此外，作者通過將CeO2/MMNC-S與MMNC-S（不含CeO2）電極進(jìn)行對比，證實(shí)了CeO2/MMNC對多硫化鋰具有很強(qiáng)的吸附能力以及催化性能，且其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能都有很大提升。這種電極材料表現(xiàn)出較為優(yōu)異的倍率性能；以1.0 C的電流密度循環(huán)500圈后，比容量仍能維持在836 mAh g-1；以2.0 C的電流密度循環(huán)1000圈后，比容量仍能維持在721 mAh g-1，平均每圈的衰減速率僅為0.024%（圖3和圖4）。更為重要的是，在單質(zhì)硫的面積負(fù)載率高達(dá)3.4 mg cm-2下，仍然具有穩(wěn)定的循環(huán)性能和高面積容量。這項(xiàng)工作設(shè)計(jì)了一種全新結(jié)構(gòu)的鋰硫正極復(fù)合材料，為實(shí)現(xiàn)發(fā)展新一代高容量、高穩(wěn)定性和高能量密度鋰硫電池提供了新思路。
該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1. CeO2/MMNC-S-70%復(fù)合物的(a,b) SEM、(c) TEM表征和(d-h)元素分布圖；(i) CeO2/MMNC-S復(fù)合物以及單質(zhì)硫的(i) XRD與(j) Raman表征。
圖2. (a) 理論模擬CeO2與多硫化鋰以及單質(zhì)硫的吸附作用；(b)CeO2/MMNC與MMNC材料在Li2S4溶液（DME/DOL）中的實(shí)際吸附性能測試。
圖3. 基于CeO2/MMNC-S復(fù)合正極的鋰硫電池的電化學(xué)性能。(a) CeO2/MMNC-S-70%復(fù)合正極的循環(huán)伏安曲線；(b) CeO2/MMNC-S-70%復(fù)合正極的充放電曲線；(c) CeO2/MMNC-S復(fù)合正極在0.2C電流密度下的循環(huán)性能；(d) CeO2/MMNC-S復(fù)合正極的倍率性能。
圖4. 基于CeO2/MMNC-S復(fù)合正極的鋰硫電池高電流密度下的長循環(huán)穩(wěn)定性測試。(a) CeO2/MMNC-S復(fù)合正極在1.0 C電流密度下的循環(huán)性能；(b) CeO2/MMNC-S-70%復(fù)合正極在2.0 C電流密度下的循環(huán)性能。
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