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高性能锂硫电池:富边缘MoS2/C中空微球如何帮助Li2S均匀沉积?

已有 1244 次阅读 2019-6-20 08:21 |系统分类:论文交流| Li2S, 多硫化锂穿梭, 锂硫电池

Battery Separators Functionalized with Edge‑Rich MoS2/C Hollow Microspheres for the Uniform Deposition of Li2S in High‑Performance Lithium–Sulfur Batteries

Nan Zhenga, Guangyu Jianga, Xiao Chena,Jiayi Maoa, Nan Jianga, and Yongsheng Lia*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 43

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0275-z

本文亮点     

1  通过简单的水热处理MoO3-苯胺纳米线和碳化过程制备出富边缘MoS2/C中空微球(Edg‑MoS2/C HMs)。

2  Edg‑MoS2/C HMs能使Li2S均匀沉积在机体上并且提高活性位点的利用。

3  使用Edg‑MoS2/C HMs功能化隔膜的电池展现出优异的电化学性能:在6.1 mg/cm2的高硫面负载和0.5 C的倍率条件下,循环300圈之后仍具有478 mAh/g的高放电容量。

内容简介        
在锂硫电池的设计中,阻止多硫化锂的穿梭、提高硫中间产物的转化动力学和控制锂硫电池充放电过程中的均匀沉积是影响电池性能的关键因素。

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华东理工大学李永生课题组在水热条件将三氧化钼-苯胺纳米线转变成微球,其中蔗糖及硫脲分别作为碳源及硫源,由于柯肯达尔效应,随着水热时间的延长,微球逐步被硫化并同时被碳包覆,而且形成中空结构,在进一步煅烧后得到中空富边缘的MoS2/C微球(Edg-MoS2/C HMs)。

中空富边缘的MoS2/C微球具有化学吸收能力强、Li2S结合位点的密度高和电催化性能好的特点,可以有效地阻挡多硫化物的穿梭,加快硫中间产物的转化速率,引导Li2S的均匀成核和生长,从而显著提高活性硫物质相转化的可逆性。

图文导读     
Edg-MoS2/CHMs的制备过程

基于柯肯达尔效应,制备出中空富边缘的MoS2/C微球(Edg-MoS2/C HMs)。解决多硫化锂穿梭及硫化锂不均匀沉积的问题。

图1 (a) 锂硫电池中用Edg-MoS2/C@PP隔膜限制多硫化锂的示意图;(b)Edg-MoS2/C@PP和PP电池中Li2S沉积示意图;(c) Edg-MoS2/CHMs的合成步骤和Edg-MoS2/CHMs的边缘及台阶位点示意图。

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Edg-MoS2/C电池性能的机理分析

Edg-MoS2/C HMs对多硫化锂有具有较强的吸附作用而且对多硫化锂具有优异的电催化作用。这一方可以减少活性物质的流失,另一方面可以加快硫中间产物的转化,提高锂硫电池的比容量及倍率性能;另外Edg-MoS2/C HMs对Li2S是化学吸附,这有助于Li2S的均匀沉积以及快速转化成其它硫中间产物。

图4 (a)Edg-MoS2/C HMs和CN对Li2S6的可视化吸附试验结果;(b)在2000 mV s−1的扫速下使用Edg-MoS2/C HMs、CN和MoS2 MFs电极的虚拟对称电池的循环伏安曲线;(c)Edg-MoS2/C HMs虚拟对称电池在不同扫速下的循环伏安曲线;(d)在0.05 C首次完全放电前后的Edg-MoS2/C-功能化隔膜的Mo 3d和S 2s谱;(e)在0.05 C首次完全放电前后的Edg-MoS2/C-功能化隔膜的S 2p谱。

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从Li2S及S沉积的SEM图可以直观看出:Edg-MoS2/CHMs可以有效的引导放电产物Li2S及充电产物S的均匀沉积,这对提高硫中间产物的快速转化至关重要,而硫中间产物的转化速率直接影响了电池的倍率性能。

图5 (a)CNT/S-1.7正极的SEM图;(b-f)在0.05 C首次完全放电后,PP电池中Li2S沉积在CNT/S-1.7正极(b),CN@PP电池中Li2S沉积在CNT/S-1.7正极(c)和隔膜(d),Edg-MoS2/C@PP电池中Li2S沉积在CNT/S-1.7正极(e)和隔膜(f)的SEM图;(g-h)在0.05 C首次完全充电后,Edg-MoS2/C@PP电池中CNT/S-1.7正极(g)和隔膜(h)的SEM图。

小结

通过MoO3-AN纳米线、硫脲和蔗糖的简单水热处理和碳化过程,得到中空富边缘的MoS2/C微球并将其成功应用于功能化隔膜,来控制锂硫电池中Li2S的均匀沉积。

本文证实Edg-MoS2/C HMs能有效限制多硫化锂的穿梭,并能增强硫中间产物的转化动力学。更加重要的是,该微球上均匀的边缘位点提供大量Li2S的成核位点并能引导Li2S的生长,从而使Li2S在基质上均匀沉积。

作者简介

李永生
(本文通讯作者)

教授、博士生导师

华东理工大学

主要研究方向:

其研究方向为纳米材料与无机功能材料。主要研究领域包括: 1、新型结构纳米与多孔复合材料的制备与形貌控制;2、核-壳结构纳米功能材料的制备及在癌症的诊断、药物的靶向传输与治疗等生物医药方面的应用研究;3、环境友好催化与能源生产用催化材料;4、电化学储能。

研究成果:

迄今为止已在Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Lett.等期刊发表论文157 篇,近5年以第一或通讯作者在Chem.Soc. Rev., Adv. Mater., ACS Nano, Biomaterials等发表48 篇,其中 9 篇曾入选 ESI 高被引论文、1 篇曾入选 ESI 热点论文,9 篇被编辑选为封面论文。全部论文 SCI 他引总计 6646次,近 5 年 SCI 他引 5423 次,h 指数 43。

荣誉与奖项:

部分研究结果获2014年上海市自然科学一等奖(排名第二)。作为项目负责人承担了国家自然科学基金(5项)等10余项科研项目。曾入选“上海市优秀学术带头人”、“上海市领军人才”、教育部“新世纪优秀人才”、上海市“曙光学者计划” 等人才项目,并获2014年上海市育才奖。

E-mail:ysli@ecust.edu.cn

郑楠
(本文第一作者)

博士研究生

华东理工大学

主要研究方向:

锂硫电池、钾离子电池及固态电解质。

研究成果:

现已在SCI收录国际期刊上发表论文8篇,并已申请中国发明专利1余项。

E-mail:zhengnan5502@foxmail.com

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