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西南科技大学宋英泽教授团队Green Energy Environ.：可控缺陷密度的自支撑碳电极用于锂硫电池性能优化研究

已有 1860 次阅读 2022-9-16 12:05 |个人分类:Green Energy & Environment|系统分类:论文交流

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研究背景

锂硫电池具有高理论比容量（1672 mA h g^-1）、高能量密度（2600 W h kg^-1）、价格低廉的特点，受到人们的广泛关注。但是，中间产物多硫化锂的穿梭效应、缓慢的硫氧化还原反应等限制了锂硫电池的实际性能发挥，阻碍了其商业化应用进程。针对上述科学问题，研究者们采用了各种各样的电催化材料来优化锂硫电池的电化学性能。研究者们还通过引入界面工程、尺寸工程、缺陷工程等方式来进一步提升电催化剂的活性。宋英泽教授课题组采用湿化学方法调节碳电极上的碳空位缺陷密度，形成了空位缺陷网络与导电网络的同步，不仅减轻了多硫化物的穿梭效应，而且还加速了Li₂S的成核/分解反应动力学过程，从而赋予电池有利的电化学性能。其中，在11.1 mg cm^-2的高硫负载下，电池仍能展示出8.5 mA h cm^-2的面容量。

该电极具有以下结构和性能优势：

（1）实现了空位缺陷密度的调控；

（2）实现了高活性的三维电催化网络的有效构筑；

（3）同时实现了自支撑和无粘结剂电极的合理设计。

图文解读

本研究以商业碳纸为电极，通过控制H₂O₂的用量，可对电极缺陷密度进行有效调控。由此获得的富缺陷电极具有较高的活性，不仅有效促进了Li₂S成核和分解反应的动力学过程，而且还明显抑制了多硫化物的穿梭效应。

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图1. 缺陷电极的设计原理及其在锂硫电池中的工作机制。

采用拉曼测试表征碳电极的缺陷密度。通过I_D/I_G的比值来反映碳电极的缺陷密度大小，缺陷密度越大对应更大的I_D/I_G值。CP-2的 I_D/I_G值为1.1，明显高于其它三个样品，说明CP-2具有最高的缺陷密度，证明了通过调控H₂O₂用量实现对电极缺陷密度调控的可行性。

利用XPS C 1s谱分析可知，材料呈现出明显变化的空位峰和sp²/sp³特征峰。CP-0、CP-1、CP-2和CP-3对应的sp²/sp³值分别为4.21、3.85、2.20和3.58，再次证明了CP-2较高的缺陷密度，这与我们的拉曼光谱结果相吻合。此外，所有样品都可以清晰的观察到在283.7 eV出现的空位峰，与CP-2相比，CP-3的空位峰强度增加。可能的原因是随着H₂O₂用量持续增加，促进了碳原子的重新排列，从而形成另外一种有序的结构，反而导致缺陷密度降低。

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图2. 基于拉曼光谱和X射线光电子能谱的电极缺陷密度分析。

采用一系列电催化测试手段对样品进行了测试。首先，通过对硫化锂的沉积和分解过程进行了测试分析，CP-2电极均显示出最高的Li₂S沉积量（294 mA h g^-1）和分解量（495 mA h g^-1），证明了CP-2电极对硫氧化还原反应的催化作用。此外，对称电池的CV快扫以及锂离子扩散性能结果均证实了CP-2与CP-0、CP-1、CP-3相比具有更高的电催化能力。

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图3. 基于硫化锂沉积/分解、对称电池CV快扫和锂离子扩散性能的碳电极电催化活性分析。

S/CP-2电极从0.2 C到2 C的电流密度下分别呈现出1217.8、983.4、860.3和710.9 mA h g^-1的可逆放电容量，展现出优异的倍率性能。此外，S/CP-2电极在高硫负载下仍具有较高面容量和较好的循环稳定性，当载硫量为7.5 mg cm^-2时，在0.05 C的电流密度下仍能稳定循环50圈；在11.1 mg cm^–2的高硫负载下，电池仍能展示出8.5 mA h cm^–2的面容量。0.2 C倍率时，S/CP-2电极呈现出1211.8 mA h g^-1的初始放电容量，循环100圈后容量为1048 mA h g^-1。在1 C和2 C倍率下，S/CP-2电极循环500圈后，容量衰减率分别为0.1%和0.083%，表明其良好的循环寿命。

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图4. 电池电化学阻抗、倍率及循环性能。

文章信息

相关研究以“Tunable vacancy defect chemistry on free-standing carbon cathode for lithium-sulfur batteries”为题发表在Green Energy & Environment期刊，该论文第一作者为西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室硕士研究生张西，通讯作者为宋英泽特聘教授、中科院重庆绿色智能技术研究院张炜研究员。