華南農業大學ACS Appl. Mater. Interfaces: 增強多硫化物吸附和反應動力學的氮摻雜介孔碳包覆的CoP複合

2021-01-14 清新電源

第一作者：程琪

通訊作者：鍾新華*，饒華商*

單位：華南農業大學


研究背景

鋰硫電池因其高的理論能量密度（2600 Wh kg−1）和比容量（1675 mAh g−1）得到廣泛的關注與研究；同時其主要成分硫在地殼中豐度高且環境友好，使得該類電池具備可預期的成本優勢；這些優點，使得該類電池成為最有潛力的下一代儲能系統之一。然而，鋰硫電池面臨的幾個問題限制了其大規模應。首先，硫正極在充放電的過程中體積變化大，導致電池結構的破壞；其次，可溶性多硫化物在充放電過程中的穿梭效應，導致低的硫利用率；再次，單質硫差的導電性造成了較大的器件內阻和極化電壓，當硫的負載量提升時極化現象會更為嚴重，進而導致低的庫倫效率和較差的循環壽命。因此，設計出同時具有高吸附性能和催化活性的硫宿主材料，是目前突破鋰硫電池應用瓶頸的一種可行方法


主要內容

該論文使用ZIF-67裂解衍生物磷化製備含氮介孔碳包覆的磷化鈷複合材料，利用介孔碳基體與金屬磷化物的結合可以提供多種有利於鋰硫電池中多硫化物轉化的效果。首先，具有強化學錨固能力和對多硫化物具有高催化活性的CoP可以有效地抑制穿梭效應。其次，導電介孔碳基體可以緩衝硫的體積變化，降低陰極的電荷傳輸阻抗。因此，在7.0 mg cm-2的高硫負載下，表現出1222 mAh g-1(8.6 mAh cm-2)的高比容量。因此，所報導的CoP@N-C材料在高能密度鋰硫電池中顯示出良好的應用潛力。


圖文解析


圖1複合材料的合成示意圖以及形貌和晶相表徵


圖2 材料的吸附性能，BET以及吸附前後Co元素的化學狀態分析


圖3 鋰硫電池的性能比較分析


圖4 鋰硫電池的電化學性能測試


圖5 材料的雙功能應用及文獻對比圖


結論

本文合成了一種可大幅度提升鋰硫電池性能的CoP修飾的含N介孔碳材料，有效的結合了介孔碳材料對聚硫的強物理吸附性能及優良的導電性，以及CoP材料的良好導電性、對聚硫的化學吸附能力以及對聚硫氧化還原反應的催化作用，作為硫宿主材料獲得了極高的比容量。當同時用該材料作為隔膜修飾和正極硫宿主時，在0.2 C倍率下，放電比容量可高達1222 mAh g−1，在100次循環以後，放電比容量依然高達1143 mAh g−1。CoP@N-C材料作為硫宿主材料在不同電流密度下均獲得了優異的放電比容量，良好的循環穩定性以及卓越的庫倫效率，為過渡金屬磷化物以及介孔碳材料在應用於鋰硫電池抑制穿梭效應、提高反應動力學起到良好的借鑑作用。


文獻信息

Cheng, Q.; Yin, Z.; Pan, S.; Zhang, G.; Pan, Z.; Yu, X.; Fang, Y.; Rao, H.; Zhong, X. Enhancing Adsorption and Reaction Kinetics of Polysulfides Using CoP-Coated N-Doped Mesoporous Carbon for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 43844.

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c13601

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