Advanced Materials:具有高活性纳米钴嵌入物和氮掺杂剂的超结构多孔炭纳米片——高性能锂硫电池正负极两用载体

以硫单质为正极和锂金属为负极的锂硫电池具有能量密度高、成本低、环境友好等优点,受到学术界和产业界的广泛关注。然而,硫正极的穿梭效应和缓慢反应动力学以及锂金属负极的枝晶问题严重制约了锂硫电池的实际应用。传统的研究思路多集中于开发可改善单侧电极性能的新材料,难以利用单一材料同时提升锂硫电池的正极和负极性能。


Advanced Materials:具有高活性纳米钴嵌入物和氮掺杂剂的超结构多孔炭纳米片——高性能锂硫电池正负极两用载体


针对上述问题,中山大学吴丁财教授课题组利用含钴有机-无机杂化纳米颗粒(Co/Zn-ZIFs)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)在氧化石墨烯表面协同自组装,设计制备了一类具有高活性纳米钴嵌入物和氮掺杂剂的超结构多孔炭纳米片(Co/N-PCNSs)。Co/N-PCNSs的杂化骨架由氮掺杂局域石墨化碳层封装的钴纳米颗粒、氮掺杂无定形炭和石墨烯组成,具有层次化的微孔-中孔-大孔结构特征,可同时用作高性能锂硫电池载硫和载锂材料。实验和理论计算结果表明,Co/N共修饰具有独特的高功能协同效应:氮掺杂石墨化碳封装的钴纳米颗粒不仅可以通过电子转移作用与氮掺杂剂共同抑制多硫化锂的穿梭效应,还可以提高硫正极的氧化还原反应动力学;与此同时,多孔炭纳米片的高比表面积特征及其表面氮杂原子的高效亲锂效应均有利于锂金属在其多层次孔道的均匀沉积,从而有效抑制锂枝晶的生长。因此,基于载硫Co/N-PCNSs正极和载锂Co/N-PCNSs负极的锂硫全电池具有优异的循环稳定性。

该研究不仅对深入理解材料的结构—电化学性能关系提供了新的视角,同时也对高性能锂硫电池器件的开发提供了全新思路。

相关论文发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201706895)上,合作者包括清华大学深圳研究生院李佳副教授、大连理工大学邱介山教授和王治宇教授等。



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