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CoS2-莲藕状碳负载SeS2用于高性能锂硫正极

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锂硫电池由于具有超高的比容量,被认为是新一代最具潜力的能源器件。但是,硫正极材料在循环过程中存在的聚硫物质溶解和穿梭效应,造成容量不可逆的损失。为了减缓这些缺陷,研究工作者们用Se代替S,但是Se的质量比容量太小,且价格较贵,致使Li-Se电池难以得以应用。Se与S作为正极材料具有互补的特性,所以科研工作者们提出SexSy做为正极材料,来提高其电化学性能。

CoS2-莲藕状碳负载SeS2用于高性能锂硫正极

图1 (a) CoS2@LRC的合成示意图 (b) CoS2@LRC/SeS2和LRC/SeS2的合成路线


南洋理工大学楼雄文课题组,为了提高Li-S电池正极材料的电化学性能选择CoS2与莲藕状的碳纤维网作为SeS2的基底(CoS2@LRC/SeS2)以提高正极材料的电化学性能。基底CoS2@LRC具有高导电性和吸附聚硫物质的特性,负载SeS2后作为Li-S电池的正极材料,表现出极其稳定的电化学性能。

CoS2-莲藕状碳负载SeS2用于高性能锂硫正极

图2 (a,e,i) XRD 图谱 (b,c,f,g,j,k,l) FESEM, (d,h,n,o,p) TEM  (m) TGA (a-d) Co(Ac)2/PAN/PS, (e-h) Co@LRC, (i-p) CoS2@LRC.

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图3 CoS2@LRC/SeS2 的表征 (a-c) FESEM (d) TGA 曲线 (e) TEM (f) 元素mappings 

CoS2-莲藕状碳负载SeS2用于高性能锂硫正极图4. (a) CoS2@LRC/SeS2在0.1 A /g的电流密度下容量电压曲线. (b) CoS2@LRC/SeS2 和LRC/SeS2.循环性能 (c,d) CoS2@LRC/SeS2在不同电流密度下的容量电压曲线和倍率曲线. (e) CoS2@LRC/SeS2 在 0.5 A /g电流密度下的长循环


CoS2@LRC/SeS2电极在0.2A/g的电流密度下表现出高达1015mAh/g的比容量(理论比容量1123mAh/g),在循环100次后,容量保持在745mAh/g,库伦效率高于98%。在0.1A/g的电流密度下,容量高达1096mAh/g且快速稳定下来。在0.5A/g的电流密度下,循环400次后容量依旧可以保持在470mAh/g。做对比的LRC/SeS2具有类似的首次放电比容量,但是前20次循环中后容量快速衰减,循环到76次时容量仅有494mAh/g证明CoS2纳米颗粒可以有效阻止聚硫物质的扩散

CoS2@LRC/SeS2具有如此号的电化学性能,作者给三方面的解释(1)LRC 3D网状结构不仅在无需导电剂和粘结剂的情况下高负载SeS2(高达70%),而且能够提供良好的电子和离子转移通道。(2)均匀分布在碳纤维内壁和外部的CoS2颗粒在电化学反应过程中有效缓解聚硫物质的溶解和穿梭效应。(3)CoS2@LRC可以提供充足的空间用来缓解反应过程中的体积变化。


参考文献

Xiong-Wen (David) Lou, A Freestanding SeS2 Cathode Based on CoS2-decorated Multichannel Carbon Fibers with Enhanced Lithium Storage Performance, DOI: 10.1002/anie.201708105

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