廈門大學AFM: 鐵基化合物FeCFeOC助力高性能鋰硫電池

【引言】

鋰硫（Li-S）電池由于其理論能量密度高、成本低、環境友好，被認為是下一代高能量密度電池體系的理想選擇之一。然而，鋰硫電池的實際應用面臨著許多挑戰，主要包括單質硫及其放電產物硫化鋰的電絕緣性，硫和硫化鋰之間在循環過程中的體積變化，多硫化物中間體的溶解和“穿梭”現象。為了解決這些問題，研究人員已經開發一些有效的策略，包括使用雜原子摻雜和各種極性材料（例如雜原子摻雜碳材料和金屬基材料）構造多功能硫宿主和中間層。這些具有強化學吸附能力的極性材料可以錨定多硫化物中間體，從而在一定程度上抑制“穿梭效應”。然而，在實際應用條件下（如高硫負載量和低電解液/硫比），僅通過化學吸附是遠遠不夠的，并不能催化加速多硫化鋰在循環過程中的反應動力學。因此，化學吸附和催化的協同作用是改善Li-S電池整體電化學行為的關鍵。當形成可溶性LiPSs中間體時，應先通過強化學吸附作用將它們錨定在極性材料的表面，然后利用基質材料的高催化能力對其進行催化，以促進其氧化還原轉化過程。因此，通過調節主體材料的組成和微觀結構，設計和制備具有強化學吸附和高催化作用的雙功能硫宿主材料是開發高性能Li-S電池的有效策略之一。

【成果簡介】

近日，廈門大學彭棟梁教授、謝清水特任研究員和王來森副教授（共同通訊作者）報道了一種鐵基(Fe₃C/Fe₃O₄/Fe₂O₃)化合物嵌入在多孔碳骨架的3D泡沫狀復合材料（稱為FeCFeOC），并將其作為高性能Li-S的硫主體材料及中間層。通過理論計算和實驗測試，設計的鐵基化合物對LiPSs中間體同時具有強的化學親和力和高的催化活性，可以實現LiPSs的快速轉化并減緩穿梭效應。此外，通過Fe基化合物（Fe³⁺離子）和LiPSs之間的化學相互作用形成的具有大尺寸的磁性FeS_x物質極易被隔膜阻擋在正極一側，這有利于抑制多硫化物中間體的穿梭效應。因此，基于FeCFeOC/S正極和FeCFeOC中間層的Li-S電池具有優異的電化學性能。當硫載量增加至4.3 mg cm^-2時，Li-S電池可實現4.6 mAh cm^-2的高面容量，并具有良好的容量保持率。相關研究成果以“Anchoring Polysulfides and Accelerating Redox Reaction Enabled by Fe-Based Compounds in Lithium–Sulfur Batteries”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一 FeCFeOC復合材料結構和形貌表征

（a-b）FeCFeOC的SEM圖像

（c-e）FeCFeOC的TEM圖像

（f-g）C和FeCFeOC的XRD和Raman光譜

圖二 FeCFeOC/S–FeCFeOC的電化學性能表征

（a）FeCFeOC/S–FeCFeOC與C/S-C電池的CV曲線對比

（b）FeCFeOC/S–FeCFeOC的前5圈的CV掃描曲線

（c）FeCFeOC/S–FeCFeOC在不同掃速下的CV曲線

（d）各種Li-S電池在0.2 C電流密度下的循環性能

（e）各種Li-S電池的倍率性能以及（f）FeCFeOC/S–FeCFeOC在不同倍率下的充放電曲線

圖三 FeCFeOC與多硫化物的作用研究

（a）C和FeCFeOC吸附多硫化物實驗的光學照片

（b）Li₂S₆，C-Li₂S₆和FeCFeOC-Li₂S₆的DOL/DME溶液的Raman光譜

（c）空白Li₂S₆溶液和含C和FeCFeOC的Li₂S₆溶液的UV-vis吸收光譜

（d）幾種LiPSs與C以及Fe₃C的（001）晶面的結合能

（e-f）FeCFeOC和FeCFeOC-Li₂S₆的高分辨XPS光譜

（g）FeCFeOC和FeCFeOC-Li₂S₆在室溫下的磁滯回線

（h）FeCFeOC和FeCFeOC-Li₂S₆在5-300 K溫度范圍內的ZFC和FC曲線

圖四 FeCFeOC/S-FeCFeOC電池首圈充放電的原位XRD表征

（a-b）FeCFeOC/S正極在不同充放電狀態下的原位XRD光譜

（c-g）FeCFeOC/S正極在不同充放電狀態下的非原位Fe 2p XPS光譜

圖五 C和FeCFeOC電極表面的反應動力學

（a-c）Li₂S團簇在C和Fe₂O₃的分解途徑示意圖以及相應的分解能壘

（d-e）C材料表面的硫轉化過程和電池的充放電過程示意圖

（f-g）FeCFeOC復合材料表面的硫轉化過程及電池的充放電過程示意圖

【小結】

總之，本文利用簡單的冷凍干燥方法制備了Fe基化合物嵌入3D泡沫狀多孔碳骨架的FeCFeOC復合材料。這種FeCFeOC復合材料對LiPSs同時具有強的化學吸附能力和優異的催化活性，可以將LiPSs錨定在電極表面上并加速其轉化反應。此外，FeCFeOC復合材料中的Fe_xO_y可以與LiPSs反應形成大尺寸的磁性FeS_x物種，可以進一步阻止多硫化物的穿梭效應。因此，FeCFeOC/S-FeCFeOC電池具有優異的循環穩定性（在1.0 C下經過500次循環后仍具有748 mAh g^-1高比容量）和出色的倍率性能（在5.0 C下的可逆容量為659 mAh g^-1）。另外，當硫負載量增加到4.3 mg cm^-2時，面容量達到4.6 mAh cm^-2。FeCFeOC復合材料的強化學吸附性和高催化活性對推動高性能Li-S電池的發展具有十分積極的作用。

文獻鏈接：“Anchoring Polysulfides and Accelerating Redox Reaction Enabled by Fe-Based Compounds in Lithium–Sulfur Batteries”(DOI: 10.1002/adfm.202100970)

本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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