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余家國/張留洋Small Methods: 用于鋰硫電池的鈷硫屬化物電極性能比較

余家國/張留洋Small Methods: 用于鋰硫電池的鈷硫屬化物電極性能比較
鋰硫(Li-S)電池作為儲能的可行選擇,因其高能量密度而受到歡迎。然而,硫和Li2S較差的導電性以及多硫化鋰(LIPS)的穿梭效應嚴重限制了其商業化。
余家國/張留洋Small Methods: 用于鋰硫電池的鈷硫屬化物電極性能比較
在此,中國地質大學余家國教授及武漢理工大學張留洋副研究員等人選擇還原氧化石墨烯(rGO)作為硫主體來沉積鈷硫屬化物(Co3O4、CoS和 Co3Se4),并在分子水平上系統地解讀陰離子對鋰硫電池性能的影響。為了盡量減少合成方法對產物的影響,作者通過簡單的水熱法制備了rGO負載的Co3O4顆粒(Co3O4/rGO),并通過高溫硫化和硒化分別獲得了CoS/rGO 和 Co3Se4/rGO,它們將作為 Li-S電池中的正極材料。隨后,作者基于互補的實驗和先進的計算明確分析對比了它們的晶體結構、能帶結構、態密度和電化學性質。

余家國/張留洋Small Methods: 用于鋰硫電池的鈷硫屬化物電極性能比較

圖1. 在rGO上負載鈷硫屬化物的合成示意圖
結果表明,隨著非金屬元素從O到Se的逐漸置換,鈷硫屬化物的晶體結構發生轉變,伴隨著化學鍵的逐漸拉長而提高了電化學反應速率。同時,由于非金屬元素半徑的增加,化合物對LIPS的吸附減少。CoS和Co3Se4增強的電導率緩解了極化,p帶中心的上移和能帶差(Δdp)的減小也會影響鋰硫電池的性能。總體而言,Co3Se4?作為正極主體材料具有優異的倍率和循環性能(350次循環后容量為473 mAh g-1),因為它具有良好的催化活性和最佳物理性能。這項比較研究通過對陰離子的細致調節為鋰硫電池的設計提供了指導。

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圖2. 基于三種鈷硫屬化物的正極電化學性能

A Comparative Study of Cobalt Chalcogenides as the Electrode Materials on Lithium-Sulfur Battery Performance,?Small Methods 2021. DOI: 10.1002/smtd.202101269

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