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多孔中空状氮化钒纳米气泡高性能储硫

多孔中空状氮化钒纳米气泡高性能储硫

锂硫电池因其高理论比容量,高能量密度,自然资源储量丰富以及环境友好等特点被认为是最有希望的锂离子电池替代者。但是,中间体多硫化物的易溶特性和穿梭效应导致电池容量快速衰减,库伦效率低;而且硫的电导率低限制了硫的利用率和面积负载量。多孔碳材料是研究最多的锂硫电池正极材料,然而非极性碳和硫单质之间的弱相互作用不利于限制硫。近年来,与多硫化物具有强相互作用的中空纳米结构极性物质被认为是多硫化物吸附剂和物理屏障。

多孔中空状氮化钒纳米气泡高性能储硫

图1 VN-NBs 和S@VN-NBs制备过程示意图。

近期,南京大学金钟教授课题组等人通过简便的方法制备出氮化钒纳米气泡(VN-NBs),其具有高孔隙率中空结构,高导电性,对多硫化物具有极强的化学吸附能力,负载上硫,得到S@VN-NBs复合物,作为锂硫电池阴极,表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊NanoLetters上。

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图2 (a)S@VN-NBs阴极的CV图;(b)S@VN-NBs阴极的充放曲线图;(c)S@VN-NBs 和S@V2O5-NBs阴极的倍率性能图;(d)S@VN-NBs 和S@V2O5-NBs阴极的循环性能图;(e)在电流密度1.0 和2.0 C下,S@V2O5-NBs阴极的循环性能图。

多孔中空状氮化钒纳米气泡高性能储硫

图3 在3.3, 5.4,和 6.8 mg/cm^2硫面积负载量S@VN-NBs阴极的电化学性能:(a)充放电曲线图;(b)倍率性能;(c)循环性能。

在0.2C电流密度下,S@VN-NBs阴极首次放电比容量为1568 mAh/g,循环60次,容量保持在1258 mAh/g;在1C,2C电流密度下,循环1000次,比容量仍保持在837 mAh/g和704 mAh/g,体现了良好的循环性能。在0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0 C电流密度下,比容量分别为1428, 1294,1142,1008, 812 mAh/g,体现优越的额倍率性能。在硫面积负载量分别为3.3,5.4,和 6.8 mg/cm2下,循环200次后,比容量分别为951, 799和 563 mAh/g。S@VN-NBs阴极具有如此优良的电化学性能是因为:(1)VN-NBs内部空间较大,可以提高的硫含量,缓解体积膨胀;(2)VN-NBs的导电性高,可以提高多硫化物的利用率和氧化还原动力学;(3)VN-NBs对多硫化物具有极强的化学吸附能力,可以有效抑制穿梭效应。

 

参考文献:

Lianbo Ma,Hao Yuan,Wenjun Zhang,Guoyin Zhu,Yanrong Wang,Yi Hu,Peiyang Zhao,Renpeng Chen,Tao Chen,Jie Liu,Zheng Hu,and Zhong Jin. Porous-Shell Vanadium Nitride Nanobubbles with Ultrahigh Areal Sulfur Loading for High-Capacity and Long-Life Lithium-Sulfur Batteries, NanoLett (2017).


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