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陳人杰/詹亮/王艷莉ACS Nano:雙功能雜化物同時解決鋰硫電池正負極挑戰!

陳人杰/詹亮/王艷莉ACS Nano:雙功能雜化物同時解決鋰硫電池正負極挑戰!
鋰硫(Li-S)電池因其理論能量密度高、成本低和環境友好性等固有優勢而被認為是鋰離子電池(LIBs)的最佳替代品之一,然而金屬鋰負極的多硫化物穿梭和界面不穩定性阻礙了其實際應用。
陳人杰/詹亮/王艷莉ACS Nano:雙功能雜化物同時解決鋰硫電池正負極挑戰!
在此,華東理工大學詹亮教授、王艷莉副教授聯合北京理工大學陳人杰教授、德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究中心楊超等人提出構建一種雙生超薄二維石墨烯基介孔SnO2/SnSe2雜化物(記為G-mSnO2/SnSe2),并將其用作Li-S化學的多硫化物固定劑和鋰調節劑以實現持久的Li-S化學。
研究表明,所設計的G-mSnO2/SnSe2雜化物具有高電導率、強化學親和力(SnO2)和動態插層-轉化位點(LixSnSe2),可同時實現穿梭行為抑制、提供快速的鋰嵌入傳輸動力學、加速LiPS轉化并降低Li2S的分解能壘,這由非原位XAS光譜、原位拉曼光譜、原位XRD和DFT計算證實。此外,具有親鋰特性的介孔G-mSnO2/SnSe2能夠實現鋰離子的均勻沉積并抑制鋰枝晶的生長。
陳人杰/詹亮/王艷莉ACS Nano:雙功能雜化物同時解決鋰硫電池正負極挑戰!
圖1. G-mSnO2/SnSe2納米片合成過程及表征
因此,具有G-mSnO2/SnSe2隔膜的Li-S電池具有良好的電化學性能,包括高硫利用率(0.2 C時容量為1544 mAh g-1)、高倍率性能(8 C時容量為794 mAh g-1)、 和長循環壽命(在5 C時2000次循環中每個循環的衰減率低至0.0144%)。更重要的是,組裝的Ah級Li-S軟包電池在83.75 mA g-1時表現出1.8272 Ah的高初始容量,這表明即使在貧電解液(E/S = 3.0 μL mg-1)和薄鋰負極(50 μm)條件下其硫利用率也很高。
此外,該軟包電池還表現出高達 359 Wh kg-1的高能量密度并實現了40多次穩定循環,與其他已報道的軟包電池相比具有很大的競爭力。總之,這項工作展示了同時應對S正極和Li負極挑戰的二維動態插層-轉化混合物的合理設計,從而實現長壽命Li-S化學。
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圖2. G-mSnO2/SnSe2基Li-S電池在不同高硫負載下的電化學性能
Dynamic Intercalation–Conversion Site Supported Ultrathin 2D Mesoporous SnO2/SnSe2 Hybrid as Bifunctional Polysulfide Immobilizer and Lithium Regulator for Lithium–Sulfur Chemistry, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c02810

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