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氮化钒/石墨烯复合物限域多硫化物

氮化钒/石墨烯复合物限域多硫化物

锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池,在能量密度方面具有非常明显的优势。与其他电池体系相比,锂硫电池具有很高的理论比容量1672mAh/g,而且实际应用能量密度可达500-600Wh/kg。但由于迟缓的反应动力学(原因:硫和锂硫化物电阻率大)和穿梭效应(原因:多硫化物溶解在电解质中,并在正负极之间迁移)导致了容量快速衰减,库伦效率低等问题,阻碍了其进一步的商业化。大量的研究工作致力于解决以上问题,包括多孔碳基材料,功能化石墨烯材料和极性氧化物等的应用,但效果利弊参半。值得注意的是,将高导电性极性材料引入硫电极是一种有效缓解上述问题的手段。因此,具有高电导性的金属氮化物(TiN, VN, CrN,,ZrN和 NbN)引起了人们的关注

近期,沈阳材料科学国家实验室李峰研究员等人制备出一种高导电性多孔氮化钒/石墨烯复合物(VN/G,作为锂硫电池正极,无需粘接剂和导电剂,且表现出优越的电化学性能。该项研究工作已被国际顶级学术期刊Nature Communications(影响因子:11.329)接收发表。

氮化钒/石墨烯复合物限域多硫化物

图1 VN/G复合物的制备工艺和电池组装示意图


氮化钒/石墨烯复合物限域多硫化物

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 图2 (a)VN/G和RGO电极的CV图;(b)VN/G和RGO电极的充放电曲线图;(c)在电流密度0.2C下,VN/G和RGO电极的循环性能图;(d)不同电流密度下,VN/G和RGO电极的倍率性能图;(e)在电流密度1C下,VN/G电极的循环性能图。

VN/G作为锂硫电池正极,在0.2C电流密度下,首次放电比容量为1471mAh/g,循环100次后,库伦效率为99.5%;在0.2C,0.5C,1C,2C和3C电流密度下,放电比容量分别为1447,1241,1131,953和701mAh/g;在大电流密度1C下,首次比容量为1128mAh/g,循环200次后,容量保持率为81%(917mAh/g),表现出良好的循环稳定性和倍率性能。

另外,作者对其优越的电化学性能做出解释:

(1)多孔状VN表面具有极性,能与多硫化物发生强化学相互作用,能有效的抑制穿梭效应

(2)VN的电导率高,不仅能增强氧化还原电子转移和降低界面阻抗,而且还能加速多硫化物转化

(3)VN具有与贵金属类似的催化活性,可提高氧化还原反应动力学

(4)石墨烯骨架有利于离子/电子的转移和电解液的吸收


材料制备过程:

水热法制备VN/G复合物:首先,0.05g NH4VO3溶解在45ml去离子水和5ml乙醇中,加入HCl(2M)溶液调节PH至 2-3。接着,加入30ml氧化石墨烯溶液(5mg/ml),期间不停地搅拌。紧接着转至100ml反应釜,180℃下反应24h。得到的产物经去离子水洗涤,并冷冻干燥2天。最后,在NH3气氛下,550℃下煅烧3h,得到VN/G复合物。RGO经过同样的制备过程。

Li2S6溶液的制备:硫和Li2S以5:1的摩尔比加入到适量的1,2-二甲氧基乙烷(品牌:Alfa Asea)和1,3—二氧戊环(品牌:Alfa Asea)混合溶液中,在50℃条件下磁力搅拌直至硫完全溶解。


材料表征:

热重分析仪(型号:德国Netzsch STA 449 C,升温速率10℃/min);

紫外吸收光谱测试(安捷伦,Cary 5000);

双电测四探针测试仪,用于测试电导率(中国广州,四探针科技有限公司,RTS-9);

比表面积测试(美国Micromeritics公司,ASAP2020M,可进行单点、多点BET比表面积、Langmuir比表面积、BJH介孔、孔分布、孔大小及总孔体积和面积、密度函数理论(DFT)、吸附热及平均孔大小等的多种数据分析)。

多通道电化学工作站(法国Bio-Logic,VSP-300 );

SEM型号:美国FEI NANO 450,15 kV);

TEM(型号:型号:美国FEI TecnaiG2 F20场发射透射电子显微镜,200 kV);

XPS美国赛默飞,Thermo ESCALAB 250)。


电池材料:

隔膜(美国,Celgard 2400)


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参考文献:

Zhenhua Sun, Jingqi Zhang, Lichang Yin, Guangjian Hu, Ruopian Fang, Hui-Ming Cheng, Feng Li. Conductive porous vanadiumnitride/graphene composite as chemical anchor of polysulfides for lithium-sulfur batteries, Nature Communication (2017), DOI: 10.1038/ncomms14627.

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