金波教授、高楠教授、蒋青教授 CEJ观点：具有1T/2H-MoSe2纳米片修饰氮硫共掺杂中空碳球的功能性隔膜用于高性能锂硫电池- 大数跨境

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金波教授、高楠教授、蒋青教授 CEJ观点：具有1T/2H-MoSe2纳米片修饰氮硫共掺杂中空碳球的功能性隔膜用于高性能锂硫电池

科学材料站

2023-10-28

导读：CEJ观点：具有1T/2H-MoSe2纳米片修饰氮硫共掺杂中空碳球的功能性隔膜用于高性能锂硫电池

文章信息

具有1T/2H-MoSe₂纳米片修饰氮硫共掺杂中空碳球的功能性隔膜用于高性能锂硫电池

第一作者：盛启栋

通讯作者：金波*，高楠*，蒋青*

单位：吉林大学

研究背景

随着人类工业活动的不断发展，化石燃料的不断消耗导致了不可再生能源的枯竭和自然环境的显著恶化。为了保护人类的生存环境，实现可持续发展，有必要开发风能、太阳能、地热能和潮汐能等可再生清洁能源。因此，迫切需要高能量密度的存储设施。锂硫电池由于其理论容量大（1675 mAh g⁻¹）、理论能量密度高（2600 Wh kg⁻¹）、成本低廉、硫污染低，引起了研究人员的极大关注。不幸的是，一些问题导致活性硫的初始利用率低，锂硫电池的循环寿命短。为了有效抑制多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应，本文提出了双重设计策略，使用在氮和硫共掺杂的中孔中空碳球（NSHC）的外表面和内壁上均匀生长的1T/2H混合相MoSe₂（1T/2H-MoSe₂）纳米片作为硫载体和常规聚丙烯（PP）隔膜的改性材料。这项工作展示了高性能锂硫电池关键材料的双重设计策略，有望扩展到其他能源相关领域。

文章简介

近日，来自吉林大学的金波教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Functional separator with 1T/2H-MoSe₂ nanosheets decorated nitrogen and sulfur co-doped mesoporous hollow carbon spheres for high-performance Li-S batteries”的观点文章。该观点文章研究了以MoSe₂-NSHC作为硫载体和常规PP隔膜的改性材料的双重设计策略，有效抑制了LiPSs的穿梭效应，从而获得高性能锂硫电池。

图1. MoSe₂-NSHC的制备示意图。

图2.（a）具有不同电极的对称电池在10 mV s⁻¹下的CV曲线。（b）MoSe₂-NSHC对称电池在不同扫描速度下的CV曲线。（c）具有不同电极的对称电池的EIS曲线。（d）纯PP和MoSe₂-NSHC-PP隔膜的水和电解质接触角。（e）MoSe₂-NSHC-PP隔膜的截面SEM图像。（f）不锈钢/电解质浸渍隔离膜/不锈钢电池与PP和MoSe₂-NSHC-PP隔离膜的EIS曲线。（g）不同溶液吸附前的数码照片。（h）数字照片和（i）不同溶液吸附后的紫外-可见光谱。

图3.（a）LiPSs在1T-MoSe₂、2H-MoSe₂、PN-S-石墨烯和GN-S-石墨烯上的吸附能计算。（b）锂离子在1T-MoSe₂和2H-MoSe₂基底上的扩散能垒，以及相应的初始态（IS）、过渡态（IM）和最终态（FS）的几何结构。紫色、绿色和蓝色的球分别代表Mo、Se和Li原子。（c）LiPSs在1T-MoSe₂和2H-MoSe₂上转化的自由能图，包括自由能图和相应的中间体几何结构。紫色、绿色、蓝色和黄色的球分别代表Mo、Se、Li和S原子。（d）MoSe₂-NSHC/S+MoSe₂-NSFC-PP抑制锂硫电池中穿梭效应的示意图。

图4. 具有MoSe₂-NSHC/S+MoSe₂-NSHC-PP、MoSe₂-NSHC/S和NSHC/S的锂硫电池的（a）CV曲线和（b）速率性能。（c）不同电流密度下，具有MoSe₂-NSHC/S+MoSe₂-NSHC-PP的锂硫电池的第一次恒流充放电曲线。（d）不同的锂硫电池在0.5 C下的循环性能。三个不同的锂硫电池在0.5 C下的EIS曲线：（e）循环前和（f）100次循环后。（g）具有MoSe₂-NSHC/S+MoSe₂-NSHC-PP的锂硫电池在1 C下的长期循环性能。（h）具有MoSe₂-NSHC/S+MoSe₂-NSHC-PP、高硫载量（3.2 mg cm−2）的锂硫电池在0.1 C下的循环性能。

本文要点

要点一：双重设计策略抑制LiPSs的穿梭效应

由于Mo和Se原子的排列，MoSe₂中存在两个主要相，包括畸变的四方相（1T）和六方相（2H）。传统的MoSe₂主要是指稳定的2H相，其活性位点不足，电子导电性差。相反，1T相具有更高的电子电导率和更多的LSBs活性位点。为了有效抑制LiPSs的穿梭效应，本文提出了双重设计策略，使用在氮和硫共掺杂的介孔中空碳球（NSHC）的外表面和内壁上均匀生长的1T/2H混合相MoSe₂（1T/2H-MoSe₂）纳米片作为硫载体和常规聚丙烯（PP）隔膜的改性材料。首先，壁厚仅为9.5 nm的NSHC作为硫的载体，具有较大的比表面积和内部空间，不仅负载了大量的硫，而且缓冲了硫在循环过程中的剧烈体积膨胀，从而保护了电极结构的完整性。其次，碳骨架优异的电子导电性解决了硫及其放电产物（Li₂S₂/Li₂S）的绝缘问题。最后，碳骨架中的1T/2H-MoSe₂和共掺杂的氮和硫有效地锚定了LiPSs，并通过形成化学键来增强LiPSs的氧化还原动力学。

要点二：DFT计算

DFT计算结果表明，1T-MoSe₂比2H-MoSe₂对LiPSs具有更强的化学吸附能力。1T-MoSe₂和2H-MoSe₂的态密度（DOS）计算结果显示2H-MoSe₂表现为半导体特性，而1T-MoSe₂则表现为金属特性。因此，1T相表现出比2H相更高的电子导电性。离子在材料表面的扩散能力是影响电化学性能的重要因素。通过计算锂离子在1T-MoSe₂和2H-MoSe₂表面上的扩散来获得扩散势垒。Li⁺在2H-MoSe₂表面上的扩散势垒（0.034 eV）低于在1T-MoSe₂表面上的（0.348 eV），表明2H-MoSe₂的反应动力学更快。并且PDS的低能垒表明1T-MoSe₂具有良好的催化活性，增强了LSBs的反应动力学。

要点三：优秀的电化学性能

1T/2H-MoSe₂和碳骨架中的共掺杂氮和硫有效地锚定了LiPSs，并通过形成化学键增强了LiPSs的氧化还原动力学。吸附和催化性能测试表明，MoSe₂-NSHC对LiPSs具有良好的吸附和催化能力。密度泛函理论计算表明了相应的机制。因此，具有MoSe₂-NSHC/S+MoSe₂-NSFC-PP的锂硫电池在0.2和0.5 C下分别提供1402和1155 mAh g⁻¹的初始放电容量，并在0.5 C下100次循环后获得79%的容量保持率。在1 C下还获得了800圈的长循环性能，每圈循环的容量衰减率仅为0.039%。此外，即使在3.2 mg cm−2的硫负载和6 μL mg⁻¹的E/S比下，仍具有良好的电化学性能。

文章链接

Functional separator with 1T/2H-MoSe₂ nanosheets decorated nitrogen and sulfur co-doped mesoporous hollow carbon spheres for high-performance Li-S batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146880

通讯作者简介

金波教授简介：吉林大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。于2003年和2008年分别获韩国全南国立大学硕士和博士学位。主要从事新型能源存储/转化材料与器件的研究。在Advanced Energy Materials、Small（2篇）等期刊上，发表学术论文110余篇。获授权发明专利12件。