北大深研院為鋰硫電池研發(fā)新型納米鈷多孔碳宿主材料
科技的不斷進步對鋰離子電池技術(shù)提出了更高的要求，尤其是在電動汽車等大規(guī)模儲能領(lǐng)域，需要能量密度更高、價格更便宜的新型鋰離子電池。其中，鋰硫電池作為一種多電子反應(yīng)的鋰離子電池，其能量密度（2600Wh/kg）和價格優(yōu)勢遠遠高于目前的磷酸鐵鋰和鈷酸鋰等商用電池，因此引起了人們的廣泛關(guān)注。但是，鋰硫電池在充放電過程中也存在一系列問題，如單質(zhì)硫的導(dǎo)電性差、中間產(chǎn)物多硫化物具有穿梭效應(yīng)、充放電過程中產(chǎn)生體積膨脹等。目前針對上述問題研究者們對硫正極的宿主材料提出一系列的優(yōu)化策略，如通過多孔碳改善硫正極的導(dǎo)電性、通過氮元素摻雜提高對多硫化物的吸附等。但是各種手段所取得的效果有限，無法從根本上解決問題，因此需要一種綜合各種功能、更加行之有效的正極宿主材料。
新型鋰硫電池材料
近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授領(lǐng)導(dǎo)的清潔能源中心研究團隊基于目前常見的MOF材料制備了一種擔(dān)載鈷納米晶的氮摻雜的多孔碳籠作為新型鋰硫電池的宿主材料，通過表征測試發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，并借助包括XRD、SEM、TEM、XPS與DFT計算等多種手段揭示了性能優(yōu)異的原因，闡明了Co納米晶對鋰離子擴散動力學(xué)、多硫化物的吸附及轉(zhuǎn)化的積極作用，為制備新型的鋰硫電池正極材料提供了思路。該工作近日發(fā)表在能源材料領(lǐng)域知名期刊《先進能源材料》 （Advanced Energy Materials，2020，10 (9), 1903550，IF=24.884）上。
該工作的新穎之處在于研究團隊用高比表面積的ZnCo-MOF吸附葡萄糖小分子，然后在碳化過程中葡萄糖在MOF腔內(nèi)優(yōu)先碳化成SP2結(jié)構(gòu)碳框架起到隔離鈷金屬和增強導(dǎo)電性的作用；同時適當(dāng)?shù)妮d硫量能讓——87 wt% 的活性硫材料負載在碳籠腔體內(nèi)而不是表面，使硫與碳籠骨架保持強的相互作用。研究團隊制備的高分散的鈷納米晶擔(dān)載的氮摻雜的多孔碳籠對硫活性材料及多硫化物中間體具有多功能效應(yīng)，包括導(dǎo)電性的提高、高載硫量、應(yīng)力舒緩、鋰離子擴散動力學(xué)的加快、催化多硫化物的快速轉(zhuǎn)化以及對多硫化物中間體的超強吸附作用等等，它們能保證鋰硫電池的高倍率性能和長循環(huán)壽命。
同時，一系列的研究表明，相比石墨烯與和氮參雜結(jié)構(gòu)，骨架中擔(dān)載的高度分散Co納米晶不僅有效地促進鋰離子的擴散和多硫化物的氧化還原，其還可以進一步增強多硫化物的吸收。該工作為過渡金屬作為鋰硫電池中多硫化物的高性能催化劑提供新的借鑒和參考。
本工作由潘鋒指導(dǎo)完成，該論文共同第一作者為博士生王睿和博士后楊金龍，肖蔭果老師和潘鋒老師為共同通信作者。該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃、廣東省重點實驗室和深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持
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