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電池圈女版Goodenough,Linda F. Nazar教授,最新AEM!

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全固態Li-S 電池是一種很有前途的儲能系統,其可以解決多硫化物在液態Li-S 電池中的穿梭效應。然而,固態反應動力學遲緩和正極材料的低電導率阻礙了其發展。
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在此,滑鐵盧大學Linda F. Nazar團隊報告了一種內嵌 CuS 納米顆粒(CuSNC)的 N 摻雜碳,并將其作為全固態電池中 Li2S 的宿主。結合 X 射線衍射 (XRD)、X 射線光電子能譜 (XPS)、X 射線吸收圖譜 (XAS)、電子顯微鏡和密度泛函理論 (DFT) 計算進行的電化學研究表明,CuSNC 與 Li2S 具有良好的親和性。
結果顯示,該策略降低了電荷上 Li2S 向硫轉化的活化能壘,表明 CuS 表面具有電催化效應。與摻雜 N 的石墨烯相比,正極中 Li+ 的擴散和反應動力學均得到了增強。CuSNC/Li2S 正極在 100 個循環后的平均容量達到 1.8 mAh cm-2,保持率為 94%。在 1.0 mA cm-2 電流密度下,CuSNC/Li2S 可在 500 次循環中保持穩定的性能,衰減率低(每循環 0.05%);在較高的 Li2S 負載下,可提供 9.6 mAh cm-2 的容量。
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圖1. 對稱電池的DC極化測量
總之,該工作通過嵌入 CuS 納米晶(CuS-NC)的 N 摻雜碳多孔框架實現了全固態 Li2S 電池的高性能 CuSNC/Li2S 正極。DFT 分析表明,與摻雜 N 的石墨烯(NC)相比,CuS 對 Li2S 具有更好的吸附性、更低的 Li2S 分解能壘和更低的 Li+ 遷移能壘,能以類似電催化的方式有效促進硫轉化化學反應。
與 NC/Li2S 相比,CuS-NC/Li2S 正極具有更低的充放電過電位和更高的容量,并且在 500 次循環中容量衰減率較低(0.05%)。在 10 mg cm-2 的高負載下,CuS-NC/Li2S 的放電容量為 9.6 mAh cm-2,容量保持率為 92%。因此,該項研究為設計全固態鋰離子電池的先進正極材料提供了新視角。
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圖2. 電池性能對比
A Nanocrystallite CuS/Nitrogen‐Doped Carbon Host Improves Redox Kinetics in All‐Solid‐State Li2S Batteries, Advanced Energy Materials 2024 DOI: 10.1002/aenm.202400845

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