清華深研院Nano Energy 鋰硫電池高倍率長壽命新途徑-促進多硫化物轉化

【引言】

近來，石墨烯基組件因其優異的導電性和高表面積而被人們看做是鋰硫電池中有前景的碳載體材料。石墨基組件的二維結構和大孔徑有利于充放電過程中反應動力學的快速進行，然而這種結構中具有少量的微型小尺寸孔，無法限制多硫化鋰(LiPSs)的往返運動。因此，在往返運動的影響下，在石墨烯表面形成的LiPSs十分容易溶解在電解質中，降低了電池的電容效率和庫倫效率。所以，要想獲得具有高能倍率性能和長久循環穩定性的鋰硫電池，關鍵在于對石墨烯表面進行改性。

【成果簡介】

近日，清華大學深圳研究生院楊全紅和呂偉老師(共同通訊作者)在Nano Energy上發表了一篇題為“Propelling polysulfides transformation for high-rate and long-life lithium–sulfur batteries”的文章。在該文報道中，研究人員通過水熱法使一個三維分層多孔石墨烯宏觀結構與均勻分布的α-Fe₂O₃納米顆粒復合在一起(標記為Fe-PGM)，并將其設計為鋰硫電池中的硫載體。在這種混合結構中，α-Fe₂O₃納米顆粒不僅能夠與多硫化物強烈結合，而且更為重要的是在充放電過程中它們能夠轉化為不溶性物質，對多硫化鋰(LiPSs)的往返運動起到化學屏障的作用，因此與三維分層多孔結構一起促進了電子/離子的快速傳遞。同時，陰極中的Fe-PGM使得電池具有一個高倍率性能(5 C倍率時電容量為565 mAh/g)和長久的循環穩定性(在5 C高倍率1000多次循環中，每次循環后電容量僅以0.049%的超低速率衰減)。

【圖文導讀】

圖1.硫和Fe₂O₃納米顆粒在石墨烯表面的轉化過程示意圖

Fe2O3納米顆粒被引入石墨烯片層上，并對LiPSs進行化學吸附，以此限制多硫化物的往返運動，同時在充放電過程中加速了LiPSs溶解生成溶解產物。

圖2.Fe-PGM和Fe-PGM-S雜化物的形貌表征

(a-b)Fe-PGM的SEM圖

(c)Fe-PGM的TEM圖

(d)α-Fe₂O₃納米顆粒在Fe-PGM中的高分辨TEM圖，插圖是α-Fe₂O₃的SAED譜圖

(e)Fe-PGM-S的TEM圖

(f)Fe-PGM-S的STEM圖

(g-k)Fe-PGM-S的元素掃描分布圖

(l)氧化石墨烯(GO)、硫、α-Fe₂O₃、PGM、Fe-PGM和Fe-PGM-S的XRD譜圖

圖3.LiPSs和α-Fe₂O₃的強烈結合

(a)Fe-PGM-S中C的1 s軌道XPS曲線

(b)Fe-PGM-S中N的1 s軌道XPS曲線

(c)Fe-PGM-S中Fe的2 p軌道XPS曲線

(d)Fe-PGM-S中S的2 p軌道XPS曲線

(e)PGM-S雜化物中S的2 p軌道XPS曲線

(f)溶解在Li₂S₆-DME溶劑中的PGM及Fe-PGM的光學圖像

圖4.不同陰極材料的鋰硫電池的電化學性能

(a-c)電池的CV圖，陰極材料分別為PGM-S、Fe-PGM-S和Fe-PGM-2-S，掃描速率為0.1 mV/s

(d-f)電池的充放電曲線圖，陰極材料分別為PGM-S、Fe-PGM-S和Fe-PGM-2-S

(g)相應氧化還原反應的Tafel散點圖

圖5.循環性能

(a)2 C倍率下，不同陰極材料電池的循環性能，右側縱坐標是庫倫效率

(b)5 C倍率下，不同陰極材料電池的循環性能

圖6.分子吸附計算

(a-b)分別為Li₂S₄吸附在α-Fe₂O₃和石墨烯上時計算得到的差分電荷密度，差分電荷密度由0.007 e/?³等值面表示，等值面中黃色代表富電子區域，藍色代表缺電子區域。綠色、紫色、黃色、紅色和灰色球分別代表Li、S、Fe、O和C原子

【小結】

本文報道一種由三維分層多孔石墨烯宏觀結構與均勻分布的α-Fe₂O₃納米顆粒復合形成的陰極材料所制成的鋰硫電池，該電池具有優異的高倍率充放電性能和循環穩定性，這也是鋰硫電池在實際應用中的一個重要發展。

文獻鏈接：Propelling polysulfides transformation for high-rate and long-life lithium–sulfur batteries?(Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.01.040)

本文由材料人新能源組 Jon 供稿，材料牛編輯整理。

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