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陳澤祥/王艷EnSM:異質(zhì)結(jié)構(gòu)硫主體協(xié)同促進鋰硫電池多硫化物吸附和轉(zhuǎn)化

陳澤祥/王艷EnSM:異質(zhì)結(jié)構(gòu)硫主體協(xié)同促進鋰硫電池多硫化物吸附和轉(zhuǎn)化
主要由不良的“穿梭效應(yīng)”和遲緩的氧化還原動力學(xué)引起的顯著容量劣化和循環(huán)壽命不足阻礙了實用鋰硫(Li-S)電池技術(shù)的發(fā)展,用多硫化鋰(LiPS)吸附和電催化主體材料改性硫正極是解決這些問題的有前途的方法。
陳澤祥/王艷EnSM:異質(zhì)結(jié)構(gòu)硫主體協(xié)同促進鋰硫電池多硫化物吸附和轉(zhuǎn)化
為解決上述問題,電子科技大學(xué)陳澤祥教授、王艷副教授等人原位合成了異質(zhì)結(jié)構(gòu)Co0.12Ni1.88S2/NiO。結(jié)合NiS和NiO的多種優(yōu)點,制備的Co0.12Ni1.88S2/NiO被用作高效的電催化硫主體,可多維度提升Li-S電池的電化學(xué)性能。研究表明,Co0.12Ni1.88S2/NiO的內(nèi)腔保證有足夠的空間容納硫和體積變化,獨特的半開放納米結(jié)構(gòu)為Li2S的成核提供了一個入口,從而保證活性物質(zhì)和暴露的催化位點之間完全接觸。
在充放電過程中,基于Co0.12Ni1.88S2/NiO的硫正極表現(xiàn)出較低的電化學(xué)電阻和提高的鋰離子電導(dǎo)率。由于Co0.12Ni1.88S2/NiO與LiPSs之間的高親和力,活性物質(zhì)的穿梭得到顯著緩解。此外,通過將異質(zhì)結(jié)構(gòu)工程與元素摻雜相結(jié)合調(diào)整了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu),因此Co0.12Ni1.88S2/NiO異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有豐富的催化異質(zhì)界面,并表現(xiàn)出促進硫和Li2S雙向轉(zhuǎn)化的電催化活性。
陳澤祥/王艷EnSM:異質(zhì)結(jié)構(gòu)硫主體協(xié)同促進鋰硫電池多硫化物吸附和轉(zhuǎn)化
圖1. 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其對催化LiPS轉(zhuǎn)化和抑制穿梭效應(yīng)的協(xié)同作用
因此,以Co0.12Ni1.88S2/NiO為硫主體時,Li-S電池的穿梭效應(yīng)得到有效抑制且活性物質(zhì)利用率提高。電化學(xué)測試表明,該電池實現(xiàn)了卓越的電化學(xué)性能,包括令人印象深刻的1424.8 mAh g-1初始放電容量和在1 C(1672 mA g-1)下接近1056.7 mAh g-1的可持續(xù)容量。即使在6.3 mg cm-2的高硫負載和6 μL mg-1的低E/S比條件下,經(jīng)過1000次循環(huán)后電池仍保持958.2 mAh g-1的最終容量,在所有循環(huán)中平均庫侖效率為98.8%。
此外,基于Co0.12Ni1.88S2/NiO組裝的軟包Li-S電池在0.1 C下的初始放電容量為863.8 mAh g-1,100次循環(huán)后的可逆容量為753.7 mAh g-1。總之,這些研究結(jié)果共同證明了引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)Co0.12Ni1.88S2/NiO作為硫主體的實際優(yōu)勢,并為制造高性能Li-S電池提供了可行的方法。
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圖2. 基于該異質(zhì)結(jié)構(gòu)硫主體的Li-S電池性能
A hollow Co0.12Ni1.88S2/NiO heterostructure that synergistically facilitates lithium polysulfide adsorption and conversion for lithium-sulfur batteries, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.07.001

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