Curtailing Carbon Usage with Addition of Functionalized NiFe2O4 Quantum Dots: Toward More Practical S Cathodes for Li–S CellsNing Li, Ting Meng, Lai Ma, Han Zhang, JiaJia Yao, Maowen Xu, Chang Ming Li*, Jian Jiang*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:145
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00484-4
本文亮点
1. 利用NiFe2O4量子点替代多孔碳框架,使正极中碳的总含量从原来的~26 %降低至~5 %。2. 低碳电极具有更合理的振实密度(~1.32 g cm-3)和比表面积(~19.9 m2 g-1)值,利于提高电极的比能量。3. NiFe2O4量子点对Li2Sn分子具有极好的化学吸附/催化作用,增强其氧化还原反应动力。
I NiFe2O4量子点及S@CB⊆QDs电极结构表征通过FESEM和TEM发现NiFe2O4量子点分散均匀(图1a-c),统计分析可得该量子点的平均粒径集中在~ 7.88±1.66 nm(图2d)。图1e、f为终产物S@CB⊆QDs的FESEM和EDS表征结果,揭示了复合材料在纳米尺度上相互融合的结构特性:引入的NiFe2O4量子点能与S和碳黑(CB)纳米粒子完美结合,形成单个混合纳米单元 (平均尺寸: ~150 nm)。EDS能谱(图2f)进一步证实样品中Ni、Fe、O、S、C等元素的均匀分布。图1. NiFe2O4量子点的(a)SEM,(b-c)TEM图像及(d)尺寸分布图;S@CB⊆QDs电极的(e-f)SEM图像(插图: EDS能谱)。
II 粉末样品振实密度及比表面积对比
我们对比了商业碳黑(科琴黑)、升华S、S@CB⊆QDs和纯NiFe2O4 QDs材料的关键物理参数,其振实密度和比表面积数值如图3 b和c所示。碳黑振实密度值约为0.25 g cm-3, 远低于硫(1.26 g cm-3)和NiFe2O4量子点(1.43 g cm-3);另外,碳黑(供应商提供)比表面积均值为800 cm2 g-1,远高于硫(9.3 cm2 g-1)和NiFe2O4量子点(80.8 cm2 g-1)。因此,碳的高量使用必然会消耗过多电解质,额外增加电池的重量及体积,从而降低电池的比能量。为了使正极致密且消耗最少量的电解液,应将相应参数控制在合理范围内:即比表面积低于100 m2 g-1,振实密度为0.7-1 g cm-3。