Nano Energy：钴纳米颗粒修饰的氮掺杂中空多孔碳微球助力高负载锂硫电池

文章信息

钴纳米颗粒修饰的氮掺杂中空多孔碳微球作为高负载锂硫电池的硫正极载体材料

第一作者：苏丽

通讯作者：张晋强*，邵光杰*，汪国秀*

单位：燕山大学，悉尼科技大学

研究背景

基于高的理论能量密度以及单质硫储量丰富、环境友好等优点，锂硫电池成为极具发展潜力的新一代高比能二次电池，并且受到了人们的广泛关注。

然而，锂硫电池目前仍然面临着单质硫和放电产物硫化锂的绝缘性、硫正极的体积膨胀、多硫化锂的穿梭效应等挑战，严重制约了其产业化进程。因此，构建兼备高导电性、大比表面积以及高催化活性的硫正极载体材料是提升锂硫电池性能、促进锂硫电池产业化的关键。

文章简介

近日，来自燕山大学的邵光杰教授与悉尼科技大学的汪国秀教授和张晋强博士合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Cobalt-Embedded Hierarchically-Porous Hollow Carbon Microspheres as Multifunctional Confined Reactors for High-Loading Li-S Batteries”的研究成果。

本篇设计并合成了一种钴纳米颗粒嵌入中空多孔碳微球结构，并将其作为硫正极载体材料应用在锂硫电池上。

本文不仅详细探究了该中空碳材料的形成机理，分析了该结构对多硫化物的吸附作用，同时评估了钴纳米颗粒对反应过程中所形成多硫化物的催化转化能力，进而测试了硫正极在高载硫量下的电化学性能。本文为高性能锂硫电池的硫正极载体材料的设计提供了一定的参考价值。

本文要点

要点一：材料结构由实心到york-shell再到空心的演变过程

本文首先通过温和的水浴法合成柠檬酸锌-钴微球作为前驱物，然后在双氰胺存在的情况下对其进行高温碳化处理，最终制备出钴纳米颗粒嵌入氮掺杂中空多孔碳微球(Co@N-HCMSs)作为硫正极载体材料。该碳材料实现了由实心，到york-shell，再到中空结构的逐渐演变，该现象主要归因于搅拌过程中发生的Kirkendall效应。在高温碳化的过程中，金属锌升华留下孔隙，少量的金属钴被包裹在碳层，从而形成钴纳米颗粒嵌入氮掺杂多孔碳微球的结构。

图1. Co@N-HCMSs的演变过程: (a)原理图; (b)TEM图; (c)形成机理示意图

要点二：材料对锂硫电池的吸附-催化的多功能作用

制备的Co@NHCMSs展现了中空结构、大的比表面积和丰富的孔隙度，能够容纳足够多的单质硫，同时有效缓解充放电过程中硫正极的体积变化。该微球的多孔碳壳具有分级多孔结构，使得其在限制多硫化物的穿梭的同时还可以允许电解液中锂离子顺利通过。此外，金属钴纳米颗粒不仅对多硫化物产生强的化学吸附作用，同时对多硫化物的转化具有一定的催化作用。

图2. (a)多孔碳微球对锂硫电池的多重作用机理图; (b,c)Co@N-HCMSs的SEM图和TEM图; (d,e)多孔碳壳内部和外部的TEM图; (f)Co@N-HCMSs的HR-TEM图(插图为SAED); (g)Co@N-HCMSs的元素面分布图

要点三：材料在高负载锂硫电池下体现的优异性能

基于大的比表面积和丰富的孔结构，Co@NHCMSs材料可以负载高达90.52 wt%的硫含量，在高硫含量下的S/Co@NHCMSs电极展现了优异的放电能力和倍率性能。此外，在5.1 mg cm-2的担载量下，能够释放出近5 mAh cm-2的面积比容量，且体现了50圈的循环稳定性，展现了该电极材料在高负载锂硫电池上的优异性能。这主要归因于材料独特的物理结构和化学组成，有效地抑制了穿梭效应的发生，促进了硫的氧化还原反应动力学。

图3. S/Co@NHCMSs材料的(a)TGA图; (b)元素面分布; (c)倍率性能; (d)电极在0.1 C电流密度下, 担载量为5.1 mg cm-2的循环性能

文章链接

Cobalt-Embedded Hierarchically-Porous Hollow Carbon Microspheres as Multifunctional Confined Reactors for High-Loading Li-S Batteries

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105981

通讯作者介绍

汪国秀 教授。

汪国秀教授任职悉尼科技大学清洁能源技术中心主任，特聘杰出教授。汪教授致力于能源材料领域的研发，并在包括材料工程、材料化学、电化学能量储存转换、纳米科技, 先进材料的合成与制造等多个跨学科领域取得了优异的成果。汪教授主持完成二十多项澳大利亚基金委和工业界的项目。迄今为止，汪教授已发表SCI论文超过550篇, 引用超过42911次，h因子114。2018年全球材料和化学双学科高被引科学家(Web of Science/Clarivate Analytics)。2019和 2020全球材料学科高被引科学家。英国皇家化学会会士 (FRSC) 和 国际电化学学会会士(ISE fellow)。研究方向：能源材料领域的研发，包括材料工程、材料化学、电化学能量储存转换、纳米科技, 先进材料的合成与制备。

邵光杰 教授。

燕山大学环境与化学工程学院教授，分别于1983年和1986年在哈尔滨工业大学获得化学学士和硕士学位，于2002年获得燕山大学博士学位。目前主要研究方向为纳米能量结构材料的能量存储与转换，主要集中在燃料电池、超级电容器、锂离子电池以及锂硫电池的研究与应用。以通讯作者在Nano Energy, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Small Methods, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces, Chemical Engineering Journal等学术期刊上发表多篇研究论文，被引用3000余次，H因子31。

张晋强 博士。

张晋强博士2018年获得澳大利亚悉尼科技大学博士学位。目前在悉尼科技大学清洁能源技术研究中心从事博士后研究工作。主要研究方向为清洁能源材料研发及机理研究，包括锂有机氧化还原介质，单原子催化剂，有机高分子聚合物材料等在锂空气电池，锂硫电池，电催化水分解等领域的应用。先后以第一作者和通讯作者身份在Nature Catalysis, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Nano Letters, Advanced Science, Nano Energy等学术期刊发表多篇论文。总引用超过3500次，H-index 32.。

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