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山大徐立強ACS Nano:硼化物催化主體助力鋰硫電池10C循環(huán)1300次!

山大徐立強ACS Nano:硼化物催化主體助力鋰硫電池10C循環(huán)1300次!
多硫化物的穿梭效應和Li2S的緩慢成核是阻礙鋰硫電池進一步發(fā)展的主要問題。合理設計具有催化功能的硫主體材料已成為促進多硫化物轉(zhuǎn)化的有效策略。與其他類型的過渡金屬化合物相比,具有高導電性和催化能力的過渡金屬硼化物更適合作為硫的主體材料。
山東大學徐立強等通過簡便的固相反應合成了具有豐富和高效催化位點的二硼化鈮(NbB2)納米顆粒,并用作硫主體以減輕“穿梭效應”并促進多硫化物轉(zhuǎn)化。
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圖1 NbB2加速多硫化物轉(zhuǎn)化并促進Li2S成核的示意圖
首先,與其他鈮基化合物相比,NbB2納米粒子具有高導電性和豐富的催化位點,從而可以有效地促進多硫化物的電化學轉(zhuǎn)化。其次,納米NbB2可以增強用于催化多硫化物氧化還原位點的暴露,從而可以減少電解液的使用,提高實際應用的可行性。第三,B原子和Nb原子都可以有效吸附多硫化物,從而增強多硫化物的錨定功能。
因此,當用作硫正極的主體材料時,納米NbB2有效地提高了多硫化物的轉(zhuǎn)化率,降低了反應動力學,并調(diào)節(jié)了Li2S的高容量沉積。更重要的是,NbB2的高導電性為3D成核和Li2S的生長提供了有利的成核位點,避免了催化劑表面的鈍化,提高了Li2S的反應動力學。
山大徐立強ACS Nano:硼化物催化主體助力鋰硫電池10C循環(huán)1300次!
圖2 NbB2對多硫化物的吸附及對動力學的作用
受益于上述優(yōu)勢,NbB2正極在100次循環(huán)后仍可保持1014 mAh g-1的高容量。此外,在5C/10C下也實現(xiàn)了703/609 mAh g-1的高初始比容量,并且可以在 0.057%/0.051%的低衰減率下循環(huán)1000/1300次。
即使硫負載量高達16.5 mg cm-2時,在0.1 C時也可以實現(xiàn)17 mAh cm-2的高初始面積容量,經(jīng)過40次循環(huán)后,面容量仍可以保持在10 mAh cm-2以上。總之,這項工作強調(diào)了設計導電和催化功能硫主體在增強多硫化物轉(zhuǎn)化動力學和指導鋰硫電池中沉積Li2S的重要性,并可以擴大金屬硼化物的應用并激發(fā)鋰硫電池的發(fā)展。
山大徐立強ACS Nano:硼化物催化主體助力鋰硫電池10C循環(huán)1300次!
圖3 鋰硫電池性能
Niobium Diboride Nanoparticles Accelerating Polysulfide Conversion and Directing Li2S Nucleation Enabled High Areal Capacity Lithium–Sulfur Batteries. ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c01179

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