楼雄文教授：CoS2修饰的多通道碳纤维装载SeS2的储锂性能研究
近些年，锂硫 (Li-S) 电池因其具有高能量密度，低成本，高储量和无毒的特性，被认作是极具潜力的下一代电池。然而，在实际应用中，硫和硫化锂低的离子和电子导电率导致高负载硫电极中的活性物质的利用率很低。锂硒（Li-Se）电池因其具有更好的反应活性，硒被认为是一种能够替代硫的高导电性活性材料。但是相比于硫，硒的质量比容量较低，而且储量低，价格昂贵，这严重限制了Li-Se电池的发展。为了实现硫和硒在储锂性能上的协同效应，硫硒（SexSy）固溶体被认为是更具潜力的储锂材料。与S相似，SexSy在循环过程中也会产生可溶性中间产物，引起穿梭效应，造成电池容量的快速衰减。
近期，受到锂硫电池中化学吸附机理的启发，南洋理工大学楼雄文教授课题组通过静电纺丝法成功合成了CoS2纳米颗粒修饰的多通道莲藕型碳纤维网络（CoS2@LRC）作为SeS2的宿主材料，制备了自支撑的CoS2@LRC/SeS2整体电极，实现了高载量前提下SeS2电极优异的电化学活性和高循环稳定性。
该CoS2@LRC/SeS2整体电极具有以下优势：
CoS2@LRC的独特多通道结构，一方面可以储存70 wt.% 的SeS2，实现电极中非常高的活性物质载量；另一方面可以提供充足的空间来缓冲SeS2在电化学反应过程中产生的体积变化，保证电极结构上的稳定性；
导电的LRC三维网络，保证了电极中电子和离子的快速传输，进一步确保了SeS2的容量利用率；
CoS2纳米颗粒均匀分布于多通道碳纤维的表面和内部，在循环过程中可以有效地控制多硫离子和多硒离子的溶解，进而实现良好的循环稳定性。
图1. （a）CoS2@LRC/SeS2的合成过程示意图；（b）CoS2@LRC/SeS2相对于LRC/SeS2的优势。
图2. （a,e,i）XRD谱图；（b,c,f,j,k,l）FESEM表征图；（d,h,n,o,p）TEM表征图； (m)TGA曲线。（a-d）Co(Ac)2/PAN/PS；（e-h）Co@LRC；（i-p）CoS2@LRC。
图3. CoS2@LRC/SeS2电极的表征图。（a-c）CoS2@LRC/SeS2电极的FESEM图；(d) CoS2@LRC/SeS2电极的TGA曲线； （e） CoS2@LRC/SeS2电极的TEM图；(f) CoS2@LRC/SeS2电极的TEM 图对应的元素mapping。（其中，图a内部为CoS2@LRC/SeS2电极的照片，图b内部是CoS2@LRC/SeS2纤维的截面FESEM图）
图4. CoS2@LRC/SeS2电极的电化学性能测试。（a）CoS2@LRC/SeS2电极的电压分布曲线，电流密度为0.1A/g；（b）CoS2@LRC/SeS2电极和LRC/SeS2电极的循环性能对比图；（c）CoS2@LRC/SeS2电极在不同电流密度下的电压分布曲线；（d）CoS2@LRC/SeS2电极的长循环寿命，电流密度为0.5A/g。
得益于以上优势，所合成的CoS2@LRC/SeS2电极实现了高的活性物质载量2.3-2.5mg/cm2，在 0.2A/g电流密度下初始放电比容量可高达1015 mAh/g （2.33 mAh/cm2），非常接近SeS2的理论比容量（1123 mAh/g）。在循环100圈后的可逆比容量仍维持在745 mAh/g (1.73 mAh/cm2)，库仑效率在98%以上。相对而言，做为对比样的LRC@SeS2电极具有相近的初始放电比容量，但是在循环20圈后放电容量迅速衰减，在循环至76圈时可逆容量仅剩494 mAh/g。同时，CoS2@LRC/SeS2电极还具有优异的倍率性能和长的循环寿命，在0.5 A/g电流密度下可循环超过400圈。
参考文献
Jintao Zhang; Zhen Li; Xiong Wen (David)Lou, A Freestanding Selenium Disulfide Cathode Based on CobaltDisulfide-Decorated Multichannel Carbon Fibers with Enhanced Lithium StoragePerformance. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, DOI:10.1002/anie.2017 08105. (hotpaper)
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