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卵壳结构C@Fe3O4纳米盒高性能负载硫

卵壳结构C@Fe3O4纳米盒高性能负载硫

锂硫电池因理论能量密度高,资源丰富、廉价和环境友好等优点,被认为是目前最有前景的下一代能源储存体系之一。但是,由于多硫化物的高可溶性和穿梭效应,导致容量快速衰减和库伦效率低等缺点,阻碍了锂硫电池的进一步商业化。目前,将硫负载在具有良好电导率同时又可以限制多硫化物扩散的碳基质中,是一种解决上述问题的有效途径。然而,非极性碳对极性多硫化物的捕获力还是有限的,因此设计高性能的正极材料仍是目前锂硫电池的重要挑战。


卵壳结构C@Fe3O4纳米盒高性能负载硫

图1 S/YSC@Fe3O4复合物的合成路径示意图。


近期,美国奥斯汀大学Arumugam Manthiram教授和电子科技大学陈远富教授以Fe3O4为极性氧化物,制备出卵壳结构的C@Fe3O4纳米盒(YSC@Fe3O4),负载上硫,得到S/YSC@Fe3O4复合物,作为锂硫电池的阴极,表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊Adv. Mater.上。

卵壳结构C@Fe3O4纳米盒高性能负载硫

图2 (a)S/YSC@Fe3O4阴极的CV图;(b)S/YSC@Fe3O4阴极的充放电曲线图;(c)在0.1C下,S/C@Fe3O4,,S/YSC@Fe3O4和S/C阴极的循环性能图;(d)不同电流密度下,S/C@Fe3O4,,S/YSC@Fe3O4和S/C电极的倍率性能图;(e)在硫负载量分别为2.2,3.7和5.5 mg/cm^2下,S/YSC@Fe3O4电极的循环性能图;(f)在硫负载量分别为2.2,3.7和5.5 mg/cm^2下,S/YSC@Fe3O4电极的面积比容量循环性能图。

作为锂硫电池的阴极,S/YSC@Fe3O4表现出超高的硫负载量(5.5 mg/cm^2),高容量,优越的倍率性能和超长循环稳定性等优点在0.1C下,S/YSC@Fe3O4阴极的首次比容量为1366mAh/g,循环200圈后,容量仍高达1165mAh/g,容量保持率为85.3%。在电流密度2C下,比容量为773 mAh/g;当电流返至0.1C时,容量恢复到1286 mAh/g,体现了S/YSC@Fe3O4良好的结构稳定性和限制多硫化物能力。

作者在文中解释了S/YSC@Fe3O4具有如此良好电化学性能的原因:1)极性Fe3O4核心通过与多硫化物强化学相互作用,使其固定在纳米盒中;(2)YSC@Fe3O4具有较大的空隙,不仅能增加硫的负载量,而且可以缓解硫在充放电过程中体积膨胀的问题;(3)碳壳不仅作为纳米化学的反应室,而且对多硫化物有物理约束作用;(4)Fe3O4和碳壳的良好电导率有利于电子的快速传输和提高电化学反应动力学总的来说,这项工作为以后研发锂硫电池阴极提供了良好的借鉴。


参考文献:

JiaruiHe, Liu Luo, Yuanfu Chen, and Arumugam Manthiram. Yolk–Shelled C@Fe3O4 Nanoboxesas Efficient Sulfur Hosts for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries, Adv.Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201702707.

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