2017年8月18日
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金钟、刘杰团队在高性能锂硫电池复合正极材料方面取得新进展

南京大学化学化工学院金钟、刘杰教授带领的“先进能源材料与器件课题组”在锂硫电池正极材料方面取得新进展。相关研究成果近期以《Cerium Oxide Nanocrystal Embedded Bimodal Micromesoporous Nitrogen-Rich Carbon Nanospheres as Effective Sulfur Host for Lithium−Sulfur Batteries》为题发表在ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03227)。南京大学博士研究生马连波为论文第一作者,金钟教授为通讯作者。

随着便携式电子设备以及电动交通工具的不断更新换代,研发高性能的二次电池已经成为新能源领域的当务之急。锂硫电池由于其高理论比容量(~1672 mAh g-1)和能量密度(~2600 Wh kg-1)而受到广泛关注。另外,在自然界中,硫的储量非常丰富,这也使得锂硫电池在大规模应用方面具有明显的潜在优势。然而,锂硫电池的实际应用也存在一些待解决的问题,比如:单质硫在锂化时的体积膨胀、多硫化锂中间体(Li2Sx)在电解液中的溶解扩散、以及单质硫和硫化锂(Li2S)的低导电性等等。这些问题限制了锂硫电池的性能和应用推广。

针对以上问题,团队设计了一种基于极性金属氧化物/氮掺杂微介孔碳球复合物的锂硫正极材料(图1)。通过硝酸铈溶液的水解,即可在氮掺杂微介孔碳球(MMNC)的孔隙内部镶嵌尺寸均一的氧化铈(CeO2)纳米晶。一方面,该复合结构中碳球的微孔-介孔组合体系能够有效缓冲单质硫在锂化时的体积膨胀、阻止多硫化锂的穿梭效应并提高了复合正极材料的导电性,另一方面,该复合结构可以充分利用极性金属氧化物对多硫化锂的化学吸附以及电催化作用,达到进一步限制多硫化锂的目的(图2)。以上两种作用的协同效应充分保证了锂硫电池的高比容量以及高循环稳定性。

图1. CeO2/MMNC-S-70%复合物的(a,b) SEM、(c) TEM表征和(d-h)元素分布图;(i) CeO2/MMNC-S复合物以及单质硫的(i) XRD与(j) Raman表征。

图2. (a) 理论模拟CeO2与多硫化锂以及单质硫的吸附作用;(b)CeO2/MMNC与MMNC材料在Li2S4溶液(DME/DOL)中的实际吸附性能测试。

研究人员通过调节CeO2/MMNC-S复合电极中的硫担载量,获得了电化学性能最优化的锂硫电池。此外,通过将CeO2/MMNC-S与MMNC-S(不含CeO2)电极进行对比,证实了CeO2/MMNC对多硫化锂具有很强的吸附能力以及催化性能,且其循环稳定性和倍率性能都有很大提升。这种电极材料表现出较为优异的倍率性能;以1.0 C的电流密度循环500圈后,比容量仍能维持在836 mAh g-1;以2.0 C的电流密度循环1000圈后,比容量仍能维持在721 mAh g-1,平均每圈的衰减速率仅为0.024%(图3和图4)。更为重要的是,在单质硫的面积负载率高达3.4 mg cm-2下,仍然具有稳定的循环性能和高面积容量。这项工作设计了一种全新结构的锂硫正极复合材料,为实现发展新一代高容量、高稳定性和高能量密度锂硫电池提供了新思路。

图3. 基于CeO2/MMNC-S复合正极的锂硫电池的电化学性能。(a) CeO2/MMNC-S-70%复合正极的循环伏安曲线;(b) CeO2/MMNC-S-70%复合正极的充放电曲线;(c) CeO2/MMNC-S复合正极在0.2C电流密度下的循环性能;(d) CeO2/MMNC-S复合正极的倍率性能。

图4. 基于CeO2/MMNC-S复合正极的锂硫电池高电流密度下的长循环稳定性测试。(a) CeO2/MMNC-S复合正极在1.0 C电流密度下的循环性能;(b) CeO2/MMNC-S-70%复合正极在2.0 C电流密度下的循环性能。

该研究工作得到了国家重点研发计划、973计划、青年千人计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。

(化学化工学院 科学技术处)