我院硕士研究生在锂硫电池正极材料优化方面取得研究进展

发布者:杨笑宇发布时间:2022-04-27浏览次数:10

锂硫电池因其低成本、高能量密度和环境友好的优点,被认为是下一代高性能电池的有力竞争者。近年来,锂硫电池一直是电化学领域的一大研究热点。然而,锂硫电池仍存在一些问题阻碍其商业化应用,即硫(S8)及其放电产物硫化锂(Li2S)的绝缘性能;S8还原或Li2S氧化的氧化还原动力学缓慢;以及可溶性多硫化锂(LiPSsLi2Sn2≤n≤8)中间体的穿梭效应,导致硫活性物质的利用率低,锂硫电池的循环性能较差。

近日,欢迎光临888集团2019级硕士研究生孔洋同学,在张金勇副教授与深圳大学田冰冰副教授共同指导下,创新性地设计了一种Ni-CeO2异质结掺杂碳纳米纤维(Ni-CeO2-CNF)的锂硫电池正极材料,通过催化-吸附-导电三位一体增强改性的锂硫电池正极能有效解决上述问题。相关成果以“Ni-CeO2 Heterostructures in Li-S Batteries: A Balancing Act between Adsorption and Catalytic Conversion of Polysulfide”为题发表在国际学术期刊《Advanced Science》(影响因子IF=16.8,中科院一区,TOP),我院材料与化工专业2019级硕士研究生孔洋为第一作者,欢迎光临888集团张金勇副教授深圳大学田冰冰副教授和南昌大学敖昕副教授为共同通讯作者Kong, Y., Ao, X., Huang, X., Bai, J., Zhao, S., Zhang, J., Tian, B., Ni-CeO2 Heterostructures in Li-S Batteries: A Balancing Act between Adsorption and Catalytic Conversion of Polysulfide. Adv. Sci. 2022, 2105538. 

文章链接https://doi.org/10.1002/advs.202105538

 

 

 

1 (a) 锂硫电池S@Ni-CeO2-CNF合成示意图及(b) Ni-CeO2-CNF(c) CeO2-CNF(d) CNF的工作原理

实验(2)和理论计算(3)表明,Ni-CeO2异质结具有较强的化学吸附性、优异的催化活性和良好的导电性,使锚定在异质结上的多硫化锂可以直接从集流体中获得电子实现S8Li2S之间的快速转同时有效地抑制锂硫电池中多硫化锂穿梭效应。因此,采用Ni-CeO2异质结掺杂碳纳米纤维硫正极(S@Ni-CeO2-CNF)的锂硫电池表现出优异的长循环稳定性,即使在2C高倍率充放电条件下,1000次循环的每圈容量衰减率仅为0.046%此外6mg cm-2硫载量锂硫电池0.1C条件循环50次后,仍能实现5.3mAh cm-2的高可逆面容量。具有Ni-CeO2异质结的硫正极有效地平衡多硫化锂的吸附-转化的热力学和动力学过程为锂硫电池的实用化提供研发思路和实验基础

 

2 S@CNFS@CeO2-CNFS@Ni-CeO2-CNF正极的电化学性能:(a) CV曲线; (b) 0.1 C 下第一个循环的恒电流放电/充电曲线; (c) EIS 曲线; (d) S@CNFS@CeO2-CNF S@Ni-CeO2-CNF 正极在 (e) 0.5 C (f) 2 C 下的倍率性能和循环性能; (g) S@Ni-CeO2-CNF 正极在 0.1 C 6.0 mg cm-2 的高S 负载下的循环性能

 

3 (a)NiCeO2Ni-CeO2异质结与S8Li2S8Li2S6Li2S4Li2S2Li2S的优化结合几何构型和能量;(b)使用DFT计算的NiCeO2Ni-CeO2异质结与S8Li2S8Li2S6Li2S4Li2S2Li2S的结合能;(c)NiCeO2Ni-CeO2异质结模型从S8Li2S的放电过程的能量分布(插图显示了Ni-CeO2异质结模型上中间物质的优化吸附构象);(d)NiNi-CeO2异质结的态密度


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