Ni纳米金属催化位点原位化学态转变促进锂硫电池反应动力学

Ni纳米金属催化位点原位化学态转变促进锂硫电池反应动力学

通讯作者：张义永*，朱子翼*，李雪*

第一作者：杨春满

通讯单位：昆明理工大学

锂硫电池由于其高能量密度、低材料成本和环境友好性而被认为是锂离子电池的有前途的替代品。然而多硫化锂（LiPSs）的缓慢转化和穿梭效应阻碍了锂离子电池的商业化应用。为解决这一问题，学者们对金属基催化剂进行了广泛研究。但多数研究仅限于表征材料的性能和催化能力，一味追求性能的提高。对于构建锂硫电池体系大厦的基础性研究-单金属催化剂在锂硫电池反应体系中的化学态转变，作用机制，以及提供催化活性的主要形态方面的研究并不明确。

近日，昆明理工大学张义永/李雪教授课题组利用一步碳化技术实现了镍纳米单质在细菌纤维素衍生碳纤维上的原位生长，该复合材料用作锂硫电池硫宿主时，表现出可观的高倍率长循环稳定性。而后进一步通过原位XRD和原位拉曼等研究，对锂硫电池中单金属催化反应机制提供了新的见解。相关成果以“In-situ chemical state transition of Ni nano-metal catalytic site promotes the reaction kinetics of lithium-sulfur battery”为题发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上，昆明理工大学2022级硕士生杨春满为第一作者，昆明理工大学张义永副教授、朱子翼特聘教授和李雪教授为共同通讯作者。

图1 CBC@Ni复合材料在锂硫电池体系中Ni单质转化机制摘要图

要点一：细菌纤维素衍生碳纳米网络搭载Ni催化中心实现良好固硫载体的搭建

图2 CBC@Ni微观形貌

图3 CBC@Ni理化性质分析

要点二：CBC@Ni复合材料表现出良好的高倍率长循环稳定性、并在高负载和低E/S比条件下性能依旧可观。

图3：S@CBC@Ni电极的电化学性能

图5 反应动力学和催化性能分析

S@CBC/Ni电极在2 C下提供798.7 mAh g^-1的高倍率容量，循环500圈平均容量衰减率仅为0.064%。当硫负载为 5.06 mg cm^-2，E/S 比为 5 uL/mg 时，在 0.1 C 下循环 50 次后，仍能具有 570 mAh g^-1的比容量。

S@CBC/Ni电极的高比容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性不仅来源于碳纳米纤维框架和Ni纳米金属带来的良好导电性，对多硫化物的吸附作用。更归因于CBC/Ni三维交联的碳纤维网络结构的物理包裹限制了硫的“逃逸”，同时暴露了更多的电化学催化中心，从而加速了锂硫电池体系的反应动力学

图6 原位转化过程分析

李雪，博士，昆明理工大学教授，博士生导师。全国有色金属优秀青年科技奖获得者，全国巾帼建功先进团队骨干成员，云南省产业创新人才、云南省首批“兴滇英才”人才获得者，现任云南省高校应用电化学重点实验室副主任，昆明理工大学研究生院副院长。获省级、学会奖励9项，主持国自科基金、国防科技重点专项等10余项。获授权发明专利24件，论文70余篇，出版学术专著/教材2部。为有色金属Top期刊《Rare Metals》《Energy Materials》等青年编委，《矿冶》电化学专刊客座主编，获批江山市李雪教授专家工作站。

投稿请联系contact@scimaterials.cn