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Andreu Cabot/侴術雷AFM:碘摻雜Bi2Se3納米片作為鋰硫電池的新型硫主體

Andreu Cabot/侴術雷AFM:碘摻雜Bi2Se3納米片作為鋰硫電池的新型硫主體
鋰硫電池(LSB)因其超高的理論比能量、與硫含量豐富相關的低成本及無毒性而備受關注,然而其實際應用仍然受中間體多硫化鋰(LiPS)的穿梭行為和緩慢轉化動力學的嚴重阻礙。
Andreu Cabot/侴術雷AFM:碘摻雜Bi2Se3納米片作為鋰硫電池的新型硫主體
在此,西班牙巴塞羅那大學-加泰羅尼亞能源研究所Andreu Cabot教授、楊大偉聯合溫州大學侴術雷教授、美國德克薩斯大學奧斯汀分校Jiaao Wang等人提出將碘摻雜的硒化鉍(I-Bi2Se3)納米片作為LSB的新型硫主體,能夠通過固定LiPS和催化活化正極的氧化還原轉化來解決上述問題。花狀結構的Bi2Se3納米片在180 °C下由含有硝酸鉍、亞硒酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮的堿性溶液制成,然后通過在室溫下劇烈攪拌48小時將Bi2Se3納米片分散在碘化鉀水溶液中獲得I-Bi2Se3納米片。
DFT和實驗研究證明,I-Bi2Se3納米片具有適當的組成和微納米結構,可促進Li+擴散和快速電子傳輸,并提供大量具有強LiPS吸附能力和非凡催化活性的表面位點。因此,該納米片可有效抑制多硫化物穿梭并顯著增強了硫物質的氧化還原動力學。

Andreu Cabot/侴術雷AFM:碘摻雜Bi2Se3納米片作為鋰硫電池的新型硫主體

圖1. I-Bi2Se3納米片的表征
電化學測試表明,I-Bi2Se3/S電極在0.1 C時表現出高達1500 mAh g-1的出色初始容量和超過1000次循環的循環穩定性,在1 C 時每個循環的平均容量衰減率僅為 0.012%,遠優于Bi2Se3 /S和Super P/S電極。
此外,I-Bi2Se3/S電極在高硫負載(5.2 mg cm-2)和貧電解液(8 μL mg-1)條件下進一步測試時表現出優異的倍率性能,0.1 C時的面積容量為5.70 mAh cm-2,0.5 C時的面積容量為4.12 mAh cm-2,超過了鋰離子電池面積容量的工業要求(≈4 mAh cm-2)。總體而言,這項工作展示了一種通過金屬硒化物催化劑的雜原子摻雜來提高LSB正極性能的有效方法,有助于實現LSB的大規模應用。

Andreu Cabot/侴術雷AFM:碘摻雜Bi2Se3納米片作為鋰硫電池的新型硫主體

圖2. 高硫負載、貧電解液條件下LSB的性能

Enhanced Polysulfide Conversion with Highly Conductive and Electrocatalytic Iodine-Doped Bismuth Selenide Nanosheets in Lithiu-Sulfur Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202200529

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