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蜂窝状Co@N-C复合材料高性能储硫

蜂窝状Co@N-C复合材料高性能储硫

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,成本低以及环境友好等特点被认为是最有希望的锂离子电池的替代者。要实现锂硫电池高能量密度的商业化应用,不仅要提高复合正极材料的硫含量(HSC),还要提高硫复合电极的硫负载量(HSL)。但是,硫含量和硫负载量的提高会导致更严重的穿梭效应、容量衰减快速等问题,因此在提高硫含量和硫负载量的同时保持着优异的电化学性能是锂硫电池发展过程中亟待解决的问题。

蜂窝状Co@N-C复合材料高性能储硫

图1 (a)蜂窝状Co@N-C复合材料合成过程示意图;(b)CoAl-LDH模板的SEM图;(c)CoAl-LDH@ZIF-67模板的SEM图;(d)蜂窝状Co@N-C复合材料的SEM图。


近期,厦门大学董全峰教授课题组等人利用仿生学原理,采用牺牲模板法制备出一种新型的准二维多孔蜂窝状Co@N-C复合材料,作为锂硫电池的载硫基体,表现出优异的电化学性能。Co@N-C复合材料表现出大的比表面积(459.03 m^2/g),高度有效的活性位点以及分层多孔的蜂窝状的结构。蜂窝状的结构有利于包覆硫,提高硫的负载量和利用率。此成果发表在国际期刊ACS Nano上。


蜂窝状Co@N-C复合材料高性能储硫

图2 (a)90S/蜂窝状Co@N−C电极的CV曲线;(b)90S/蜂窝状Co@N−C电极的充放电曲线;(c)90S/蜂窝状Co@N−C电极和90S/Co−N−C电极的倍率性能图。

蜂窝状Co@N-C复合材料高性能储硫

图3 (a)90S/蜂窝状Co@N−C电极,90S/Co−N−C电极和90S/Super P电极的循环性能图;(b)90S/蜂窝状Co@N−C电极的充放电曲线;(c)70S/蜂窝状Co@N−C 和70S/Co−N−C电极的循环性能图。

Co@N-C复合材料负载上硫,作为锂硫电池正极,表现高的比容量和优异的循环稳定性。在电流密度0.05 C下,90S/蜂窝状Co@N−C电极(硫含量为93.6%)充放电比容量分别为1588/1674 mAh/g,库伦效率高达94.9%。在电流密度0.2 —5 C下,放电比容量分别为1100,870,765,666和485 mAh/g,体现良好的倍率性能。在电流密度2C下,循环850次,比容量为514 mAh/g,容量保持率为75%,体现了超长循环稳定性。作者在文中进一步解释90S/蜂窝状Co@N−C电极拥有如此优异的电化学性能主要归功于具有独特的准二维多孔蜂窝状结构。首先,硫均匀地分散在高比表面积的蜂窝状复合材料上,有利于提高电极的循环稳定性;其次,高比表面积的单片蜂窝状结构使硫含量高达93.6 wt%,而且多层蜂窝片的有序堆积提高硫负载量(7.5 mg/cm^2),同时还保持了Co-N的双催化、多功能的作用;最后,蜂窝状结构不仅可以有效缓解充放电过程体积膨胀,还有利于离子扩散。


参考文献:

Yijuan Li, Jingmin Fan, Jinhua Zhang, JingfangYang, Ruming Yuan, Jengkuei Chang, Mingsen Zheng, and Quanfeng Dong. AHoneycomb-like Co@N−C Composite for Ultrahigh Sulfur Loading Li−S Batteries, ACSNano 2017.


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