天津大学&山东大学[AEM]：锂氧电池正极催化剂的最新研究

第一作者：李德元；

通讯作者：杨春鹏*，王俊*；

单位：天津大学，山东大学；

主要研究内容

锂氧电池(lob)具有超高的理论能量密度，但缓慢的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)动力学，导致锂氧电池存在循环寿命短，初始充放电比容量有限，倍率性能较差等问题。因此，开发可提高ORR/OER动力学过程的正极催化剂对提高锂氧电池的电性能尤为重要。

研究表明，催化剂表面对中间体的吸附能力至关重要，在很大程度上影响ORR/OER催化活性。本文通过引入d带中心模型来研究反应物与过渡金属及其合金之间的内在亲和力，为过渡金属硫化物基正极催化剂提供了深入的见解。

本文研究要点

一、证明了以钴/镍黄铁矿复合材料为概念性验证，证明同构结构可以有效地调整催化剂的d带中心，从而优化中间体在LOB中的吸附能力。

二、同构钴/镍黄铁矿复合材料作为LOB的正极催化剂，可以有效地加速Li₂O₂的生成和分解，较高了初始放电/充电比容量、循环寿命和具有优异的倍率性能。

三、密度泛函理论(DFT)计算表明，通过调节吸附容量，可提高ORR/OER动力学，降低反应过电位，进而提升锂氧电池的电性能。

图1. a) NiS₂-CoS₂的电荷密度差图(俯视图)；b)功函数曲线和c)态密度; d)计算得到的NiS₂-CoS₂的d带中心与中间产物的吸附能图。

 图2. a) NiS₂-CoS₂@NC的合成示意图; b) XRD图; c, d) SEM图; e) AFM图; f) HRTEM与对应的g)晶格测量曲线。

 图3. 不同催化剂的a) CV曲线; b) 倍率性能; c) 初始放电/充电曲线; d-g) 不同电流下的放电/充电曲线与循环性能。 

 图4. a) 不同阶段XRD图; b, c) 放电和充电下的DEMS结果; d-f) 不同阶段的SEM图像; g, h) 不同阶段对应的XPS谱; i) 不同阶段的EIS图。 

 图5. a) 反应相图; b) NiS₂-CoS₂; c, d) CoS₂和NiS₂计算能量图; e) ORR/OER过程的过电位; f) 中间体与催化剂相互作用示意图。

参考文献：

Adv. Energy Mater. 2023, 2204057

DOI: 10.1002/aenm.202204057

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