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高性能锂电材料:Co9S8@氮掺杂碳纳米管

已有 540 次阅读 2019-5-16 00:49 |系统分类:论文交流| 分级结构, 氮掺杂, 碳纳米管, 电子传输速率, 锂电材料

Cobalt Sulfide Confined in N-Doped Porous Branched Carbon Nanotubes for Lithium-Ion Batteries

Yongsheng Zhou*, Yingchun Zhu, Bingshe Xu, Xueji Zhang*, Khalid A. Al-Ghanim, and Shahid Mahboob,

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 29

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0259-z

本文亮点     

1  设计了一种硫化钴纳米线填充氮掺杂多孔分枝状碳纳米管分级结构(Co9S8@NBNT)应用于锂离子电池;

2  Co9S8@NBNT电极在电流密度为0.1 A/g时表现出1310 mAh/g的高容量。      

内容简介     

深圳大学张学记和安徽科技大学周永生在该工作中精心设计了一种硫化钴纳米线填充于氮掺杂多孔分枝状碳纳米管(NBNT)分级结构(Co9S8@NBNT)应用于锂离子电池。

三维NBNT网络结构能显著提高电极导电性,进而加速Li+的扩散和电子传输速率;同时NBNT分枝能有效抑制被填充的硫化钴纳米线在充放电过程中的体积膨胀,从而保持了电极结构的稳定性(图1)。

这种结构独特的Co9S8@NBNT 电极在电流密度为0.1 A/g时其容量可以高达~1310 mAh/g,并且在电流密度为0.5 A/g循环200次后仍能保有1109 mAh/g 的容量和几乎100%库伦效率,在锂离子电池的实际应用中显示出巨大的潜力。   

图文导读     

Co9S8@NBNT电极储Li+机理

图 1 Co9S8@NBNT电极Li+存储机理示意图。

👇

Co9S8@NBNT稳定性研究

研究结果证实了Co9S8@NBNT结构上的优点。第一,循环测试过程中体积膨胀和机械应力能沿着管腔内部空间得到缓解(图4d)。

第二,Co9S8@NBNT的多孔结构和较大比表面积能提供三维互通的NBNT网络结构来缩短离子扩散距离,而NBNT分枝则能提供导电通路加速电子传输。当锂离子沿着互通多孔通道传输时,能通过微孔/介孔渗透到管壁内部空间(图4d)。

第三,缺陷部位附近吡啶型和吡咯型氮的存在有利于吸附锂进而产生附加储锂位点。

图 4 (a) 电极测试前后拉曼图。Co9S8@NBNT 循环200次后SEM图(b)和TEMc图。(d) Co9S8@NBNT 电极电子传输和锂离子存储机理示意图。

作者简介

周永生

(本文第一/通讯作者)

讲师

安徽科技大学化学与材料工程学院

主要研究方向:
  • 纳米生物功能材料与器件,抗菌材料、储能材料、发光与半导体器件;

  • 基于动力学原理设计组装了多维有序纳米结构,并应用于光电子器件关键材料和仿生结构材料;

  • 研究了碳基功能复合材料,并应用于荧光材料、储能器件。

E-mail: yszhou1981@gmail.com

张学记

(本文通讯作者)

教授,博士生导师

深圳大学党委常委、副校长

中国生物检测监测产业技术创新战略联盟理事长、美国医学与生物工程院院士、英国皇家化学学会会士、俄罗斯工程院外籍院士、中组部评审巡察小组组长。

近年来,主持或参与美国NIH、NSF、NASA、国防部,北约,能源部和欧洲宇航局,国家重大项目,国家重点研发计划,国家重大仪器研发专项,中国自然科学基金等研究课题多项。

已在国际一流刊物Chemical Reviews, J. Am. Chem. Soc., Advanced Materials, ACS Nano, Chem. Sci., Anal. Chem等发表论文 400余篇,引用12000多次,专利80项,分别在Elsevier、Springer、科学出版社出版中英文专著7部。

已有30余项技术产业化,在全球100多个国家得到广泛应用。多次担任国际学术会议学术委员会委员、大会主席, 分会主席,在国际学术会议作大会报告或专题学术报告100多次。

E-mail: zhangxueji@ustb.edu.cn

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