华中科技大学王得丽教授， AEM观点：超交联聚合反应衍生的氮掺杂碳限域Fe2O3加速锂硫电池中多硫化物的界面反应- 大数跨境

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华中科技大学王得丽教授， AEM观点：超交联聚合反应衍生的氮掺杂碳限域Fe2O3加速锂硫电池中多硫化物的界面反应

科学材料站

2021-10-14

导读：该文章使用超交联聚合法将小于5nm的亲硫的超精细Fe2O3催化剂原位制备在亲锂的氮掺杂分级多孔碳上

文章信息

超交联聚合反应衍生的氮掺杂碳限域Fe2O3加速锂硫电池中多硫化物的界面反应

第一作者：陆赟，秦金磊

通讯作者：王得丽*

单位：华中科技大学

研究背景

锂硫电池有着极高的理论能量密度，近年来一直受到研究者的青睐，然而受迟滞的反应动力学影响，锂硫电池在高硫载量，贫电解液，大倍率的严苛条件下的实用性进展一直未能取得重大突破。

基于目前的困境，华中科技大学王得丽教授课题组使用超交联法制备了含“亲锂”，“亲硫”双位点的分级大比表面积多孔碳正极材料。归功于这种多功能材料的多重优点使得正极能在高载硫，高硫含量，低液硫比，大电流密度的条件下稳定循环500次，本篇为高效率固液界面的设计和研究提供了方向，有助于加速实现锂硫电池的实用性进程。

文章简介

本文中，来自华中科技大学的王得丽教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Hypercrosslinked Polymerization Enabled N-Doped Carbon Confined Fe2O3 Facilitating Li Polysulfides Interface Conversion for Li–S Batteries”的观点文章。

该文章使用超交联聚合法将小于5nm的亲硫的超精细Fe2O3催化剂原位制备在亲锂的氮掺杂分级多孔碳上（ Fe2O3/N-MC）。这种双亲位点能协同促进多硫化物的锚定和转化，提高了实用条件下锂硫电池的动力学性能和循环性能，同时该分级多空材料加速了锂离子的扩散速率，大幅度提升了电池的倍率性能。

图1. Fe2O3/N-MC 的作用机理和优异的电化学性能

文章要点

要点一：一锅法合成Fe2O3/N-MC多功能材料

先将吡咯单体分散在1，2 二氯乙烷里边并在氮气气氛中剧烈搅拌，随后加入交联剂二甲氧基甲烷和阳离子催化剂FeCl3，在60℃下搅拌12小时后获得超交联的微孔吡咯(HCP-PPy)。

最后，将洗涤干净的HCP-PPy与 KOH在800℃下氩气环境中煅烧2小时后，吡咯，1，2 二氯乙烷和二甲氧基甲烷转化为亲锂的氮掺杂多孔碳，阳离子催化剂FeCl3转化为超精细的Fe2O3。

要点二：Fe2O3/N-MC材料特点

超交联一锅法制备的Fe2O3/N-MC材料各种元素均匀分布，无团聚现象，表明材料的成功合成。可以看到小于5 nm的Fe2O3催化剂颗粒均匀分散在碳基体上，有利于暴露更多的催化位点，提升固液界面转化动力学。

Fe2O3/N-MC的XRD和拉曼结果显示了Fe2O3典型的特征峰信号，而且Fe2O3/N-MC内部含有大量的微孔介孔以及高达1126 m2 g−1的比表面积和1.06 cm3 g−1 的孔体积，有利于接触更多的活性位点，储存更多的活性物质和电解液，缓解充放电过程中的体积变化，实现高效的固液界面转化动力学。

要点三：Fe2O3/N-MC对多硫化物的作用机理

拥有双活性位点的Fe2O3/N-MC材料能在5分钟内快速吸附可溶性多硫化物，抑制其带来的穿梭效应。XPS分析后发现与Li2S6作用后，Fe3+和Fe2+的峰位置均向低结合能偏移，这是由于电子从Li2S6向Fe2O3转移形成了Fe–S键的结果，同时对Li 1s分析发现了新形成的Li–O/N (SI figure 10 (b))，表明氮掺杂不但提升了碳骨架的导电性而且能和Fe2O3协同捕捉多硫化物。而且，Li2S的形核模拟实验表明，Fe2O3/N-MC既能抑制穿梭效应还能促进实现液态多硫化物到固态硫化锂的转化，实现高的活性物质利用率。

要点四：优异的电化学性能

电化学性能测试结果显示，Fe2O3/N-MC@S电极可以在0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0 C的电流密度下分别实现1250, 1080, 950, 830, 和740 mA h g‒1的高可逆容量。进一步地，当液硫比为7.5 µL mg‒1时，硫面载量高达5.1mg cm‒2时Fe2O3/N-MC@S电极可以在1.0 C 下稳定循环500次，当面载量提升至6.5 mg cm‒2，液硫比降低至5.7 µL mg‒1时，同样在1.0 C 下循环200次，展示了优异的双活性位点优势。

要点四：原位EIS对锂离子扩散系数测试

为了监测实时的界面特性，原位的充放电过程不同电位EIS以及相应的波特图，瓦尔堡阻抗和离子扩散系数表明Fe2O3/N-MC@S电极有着极低的瓦尔堡阻抗系数和超高的锂离子扩散系数，这些特性都优于对比文献。

文章链接

Hypercrosslinked Polymerization Enabled N-Doped Carbon Confined Fe2O3 Facilitating Li Polysulfides Interface Conversion for Li–S Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.202101780?saml_referrer

通讯作者简介

王得丽教授.

华中科技大学教授/博士生导师。获中组部海外高层次人才计划、教育部“新世纪优秀人才计划”、湖北省“化学化工青年创新奖”、中国表面工程协会“中表镀-安美特青年教师奖”。研究领域为新型电化学能源与环境材料的设计以及性能优化。在Nat. Mater.、JACS等期刊上发表SCI论文100余篇，获授权美国发明专利2项、中国发明专利6项。主持国家自然基金、湖北省科技晨光计划等项目。担任《中国化学快报》青年编委，《储能科学与技术》、《Nano Materials Science》《Energy&Fules》、《J.Phys Energy》杂志编委

Research ID: http://www.researcherid.com/rid/K-5029-2012

第一作者简介

陆赟 2018级博士，主要研究方向为锂硫电池，钠离子电池，多孔碳材料等等，博士期间以第一作者已发表SCI 论文6篇。

秦金磊 2020级博士，主要研究方向为锂硫电池，金属锂电池等等。

课题组介绍

本课题组长期致力于燃料电池，钠离子电池，锂硫电池的研究。

本课题组自2013年初开始组建，目前有教授1名（中组部计划和教育部新世纪优秀人才支持计划），副教授两名，博士后2名，博士生7名，硕士生5名，本科生5名。研究方向集中在先进电化学纳米能源材料，主要包括燃料电池电极材料，高比能锂电池电极材料以及产业化应用等。

本团队科研经费充足，团队学术气氛浓厚。团队成员朝气蓬勃、关系融洽，是一个团结奋进的大集体，欢迎有志于从事科研工作的硕士、博士研究生加盟！

招生要求：欢迎化学、材料学、物理学等专业背景的学生报考。(1) 本校本科生直博；(2) 硕转博(硕博连读)；(3) 统考。

招生人数：博士生~2名/年，硕士生2-3名/年。

详细信息请访问团队主页:http://deli.chem.hust.edu.cn