北京化工大学邵明飞教授JMCA : 多级结构NCNT@Co-CoP纳米线一体化电极高硫载量下提升Li–S电池倍率性能

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文章信息

多级结构NCNT@Co-CoP纳米线一体化电极高硫载量下提升Li–S电池倍率性能

第一作者：李剑波

通讯作者：邵明飞*

单位：北京化工大学

研究背景

Li–S电池因其高理论能量密度（2600 Wh kg-1）、低成本和硫的天然存储量丰富，显示出巨大的应用前景。然而，目前Li–S电池仍面临着许多难题，如硫和其放电末端产物（Li2S2/Li2S）的电子传导性差、中间产物多硫化物（LiPSs）的穿梭效应等，严重的制约了其实际应用。为了解决这些问题，人们合理设计了一些有前景的载体（如氮掺杂的石墨烯和极性化合物等）用来负载活性硫，以改善电导率，限制LiPSs的穿梭并缓解体积膨胀。尽管研究人员已经取得了一些进展，但硫正极较低的硫载量（< 4 mg cm−2）限制了其能量密度的提高，该问题已成为Li–S电池实际应用的瓶颈。

此外，在大多数报道的Li–S电池中，粉体电极制备中非活性成分导电添加剂和粘结剂的使用，抵消了Li–S电池高能量密度的优势。并且，随着面积硫载量的增加，较厚的电极膜将加剧电极极化，从而导致电池动力学迟缓，尤其是在电池进行高倍率充放电时。与粉末状电极相比，多级结构的自支撑电极具有特有的优势，可以提升活性材料载量，加快电子转移和电荷扩散。但目前，如何在一体化电极的基础上，在高硫载量下同时实现LiPSs的快速转换和提高倍率性能仍是一个挑战。

文章简介

近日，来自北京化工大学的邵明飞教授课题组在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Boosting Rate Performance of Li–S Batteries under High-Mass Loading Sulfur based on Hierarchical NCNT@Co-CoP Nanowires Integrated Electrode”的研究文章。该文章通过原位催化法，在3D泡沫镍骨架上构筑了具有多级结构NCNT@Co-CoP纳米线一体化电极。根据实验结果，该一体化电极不仅为离子的快速传输和电子迁移提供了有效通道，而且缓冲了硫物种的体积膨胀。同时，通过系统的实验和DFT计算，证明了Co-CoP异质结界面能够对多硫化物进行有效地限域和快速催化转化，并降低了Li+的扩散能垒，有助于提升Li–S电池的高倍率性能。研究成果在设计制备高倍率Li–S电池电极材料方面具有一定的指导意义。

图1 NCNT@Co-CoP作为S载体用于Li–S电池的优点。

图2 多级结构NCNT@Co-CoP纳米线一体化制备示意图。

本文要点

要点1：多级结构NCNT@Co-CoP纳米线一体化电极的构筑

首先在泡沫镍三维骨架上合成了Co(OH)2纳米线阵列，随后利用金属有机框架材料（ZIF-67）作为碳源和氮源，通过原位催化生长和原位磷化的方式，成功构筑了多级结构NCNT@Co-CoP纳米线一体化电极。多级结构的设计能够使电解质充分渗透NCNT@Co-CoP-1电极，有效分散的LiPSs吸附位点并为硫物种的体积膨胀提供了空间。

图3（a）Co，Co-CoP和CoP模型的优化几何形状。（b）计算的LiPS（Li2S4，Li2S6和Li2S8）和电极（Co，Co-CoP和CoP）之间的结合能。（c）Li+在Co，Co-CoP和CoP上的扩散途径，以及（e）Li+在Co，Co-CoP和CoP上的扩散能垒。

要点2：催化界面的精细调控

通过对催化界面组分的精细调控，并结合系统的实验和理论计算，证明了Co-CoP异质结可以有效地捕获和催化多硫化物，降低了Li+扩散能垒，加速界面电荷转移并改善了反应动力学。

图4 NCNT@Co-CoP@S电极在不同电流密度下的充放电曲线(0.1到5 C)，（b）倍率性能和（c）对应的容量及在（d）1 C和（e）5 C电流密度下的循环稳定性。

要点3：高硫载量下Li–S电池倍率性提升

得益于多级结构的设计和电极催化界面的精细调控，当NCNT@Co-CoP@S用作硫正极，可提供优异的循环性稳定性和出色的倍率能力（在5 C电流密度和4 mg cm−2的高硫载量下经过900次充放电循环后仍保持有603.9 mAh g−1的高比容量）。

原文链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/TA/D1TA00959A?page=search

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