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氟/硫基正极异质界面催化转换反应研究获系列进展

作者:CSGO竞猜  发布时间:2020-10-23

CSGO竞猜_传统的映射型锂电池负极材料,如橄榄石(LiMPO4)、层状(LiMO2)及尖晶石(LiM2O4)等,虽然具备优良的电化学可逆性,但是其少量电子移往(0.5-1个)的短板很大容许了它们的电荷储存容量和能量密度,已无法符合可移动电子设备、电动汽车及智能电网等应用领域的较慢发展。而基于多电子切换反应的氟或硫基负极因其极高的理论比容量和能量密度(例如:Li-FeF3,713mAhg-1,1950Whkg-1;Li-S,1672mAhg-1,2567Whkg-1)正在沦为下一代能源存储系统负极材料的有力竞争者。然而,氟基负极面对着缺少内在锂源、较好的容量维持能力和倍率性能等关键挑战。而实锂简化的氟化物又更容易相分离,造成绝缘氟化锂的粗化不存在及其在电池过程中分解成艰难等问题。

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硫基负极由于单质硫和静电产物(Li2S/Li2S2)的绝缘性、静电中间相多硫化物(LiPSs)的不易溶解性及其切换动力学受限,造成锂硫电池的实际应用于有限。在氟/硫基负极异质界面引进具备催化剂效应的活性位点或纳米晶域,可实现LiF或锂硫化物的高效降解或转化成,以提升切换反应的倍率性能和减少其过电势,推展氟/硫基负极相似其能量密度无限大。近期,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李驰麟,分别与中国工程物理研究院研究员崔艳华和中科院宁波材料技术与工程研究所研究员杨明辉合作,在氟/硫基负极异质界面催化剂的制备设计方面获得了系列研究进展,涉及成果先后公开发表在国际期刊ACSNano上。

对于执着不含锂的氟化物负极,大量研究致力于用球篦方法将还原性过渡性金属或低价态金属氧化物或氟化物与LiF纳米晶混合,但是这类纳米复合材料依然不存在较小的过电势和较低的电流密度等劣势。该工作首次明确提出了氟基催化剂的概念,在脉冲激光沉积技术制取的LiF/Fe/Cu(LFC)薄膜电极中构建了三相的晶域均匀分布、紧致认识和晶粒生长诱导,造成双金属(Cu/Fe)纳米晶域对LiF的较低电位催化剂降解,这一过程很大转录了含锂氟基负极的切换反应活性(~400mAhg-1)和能量效率(~80%)。

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即使在不加到导电添加剂和粘合剂的情况下,这种锂化异质结构(LiF/Fe/Cu)需要构建明显的首次电池过程,其电池容量获释平均300mAhg-1,且具备较低的电池过电势(2.7-4V)。LFC电极的共轭循环平均200圈以上,且赝电容储能贡献小于50%。

与Fe-F电化学过程比起,Cu纳米晶域含有对Fe-Cu-F构成和分解成的动力学有极强的催化作用,使得LFC负极的能量和功率密度分别可多达1000Whkg-1和1500Wkg-1。该工作指出,只要内辟导电(催化剂)网络设计合理,LiF基负极材料是十分有潜力的。该工作公开发表于ACSNano2019,13,2490-2500。同时具备低导电性、低吸附性和催化活性的硫宿主骨架是锂硫电池长年执着的目标,但是被普遍研究的多为结构质地的多孔碳骨架材料。

该工作明确提出一种新的具备多孔纳米带上形貌的异质结材料(MoO2-Mo3N2),其比表面积只有95m2g-1,但是可作为紧致的负极骨架增进S/Li2S的均质空间产于和保形沉积。MoO2和Mo3N2纳米晶域间的非常丰富异质界面可作为对多硫化物的工作协同的捕捉-切换位点,其融合了Mo3N2导电性和MoO2吸附性的各自优点。部分氨化操作者不仅增进了纳米带上因氮氧化物晶格不给定而劈裂,并在其坚硬颗粒表面用上了非常丰富的孔隙,增进了晶格缺失的富含,使异质结区域沦为多硫化锂的导电点和切换加快位。

即使在较低表面积条件下,这种非碳异质结基质也可以构建高达75wt%的硫载量。MoO2-Mo3N2@S填充负极在1C的充放电倍率下展出了1000圈的超长循环稳定性,并且保持了511mAhg-1的共轭容量。

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在3.2mgcm-2的高面载量下,MoO2-Mo3N2@S在1000圈后的共轭容量依然可维持在451mAhg-1。获益于多硫化物在异质结处的催化剂切换,MoO2-Mo3N2@S中的锂离子扩散系数高达2.7×10-7cm2/s。多硫化物和异质拢的亲和性可实现负极锂金属在长年循环后的无枝晶电镀。即使在没低比表面碳网络结构的辅助下,具备工作协同或功能共享的异质结构也可作为高性能锂硫电池构建的不切实际解决方案。

该工作公开发表于ACSNano2019,DOI:10.1021/acsnano.9b02231。涉及研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助和反对。。

本文来源:LPL竞猜-www.eveil-jade.com

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