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福建师范大学张章静研究员、程志斌副教授，AEM：金属相硫化钼纳米花/石墨烯纳米片复合材料助力长寿命高体积能量密度锂硫电池
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福建师范大学张章静研究员、程志斌副教授，AEM：金属相硫化钼纳米花/石墨烯纳米片复合材料助力长寿命高体积能量密度锂硫电池

福建师范大学张章静研究员、程志斌副教授，AEM：金属相硫化钼纳米花/石墨烯纳米片复合材料助力长寿命高体积能量密度锂硫电池 科学材料站
2021-02-10
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导读：该研究制备了一种在石墨烯上均匀负载金属相硫化钼纳米花的高导电复合材料(FM@G)，并将其用于锂硫电池正极和隔膜的系统改性。


文章信息

金属相硫化钼纳米花/石墨烯纳米片复合材料助力长寿命高体积能量密度锂硫电池
第一作者：程志斌
通讯作者：张章静
单位：福建师范大学

研究背景

人们对便携式电子设备，电动汽车和大规模智能电网需求的不断增长推动了储能技术的快速发展。锂硫电池因其具有高理论能量密度和低成本效益，被认为是最有前途的下一代储能器件之一。
高硫负载量是实现高能量密度Li-S电池的关键。然而，较高的硫含量容易引起可溶性多硫化物的穿梭效应，以及导致电池的低的硫利用率和倍率性能，并在随后的长期循环中出现容量的迅速衰减。因此，如何实现高硫负载锂硫电池在高电流密度条件下进行高容量稳定循环运行已成为当前研究热点之一。

文章简介

近期，福建师范大学化学与材料学院程志斌副教授、张章静研究员在国际知名期刊Advanced Energy Materials（影响因子: 25.245）上发表题为“Metallic MoS2 Nanoflowers Decorated Graphene Nanosheet Catalytically Boosts the Volumetric Capacity and Cycle Life of Lithium–Sulfur Batteries”的研究工作。
该研究制备了一种在石墨烯上均匀负载金属相硫化钼纳米花的高导电复合材料(FM@G)，并将其用于锂硫电池正极和隔膜的系统改性。含有硫空位的高导电花状1T-硫化钼与石墨烯纳米片之间的无缝衔接可以提供丰富的吸附/催化转化位点以及促进电子/离子快速转移，并通过在正极侧和隔膜侧的协同吸附/催化转化多硫化物，实现高载硫锂硫电池循环寿命和体积比容量的同步提升。
系统改性后的高载硫（87 wt%）电池即使在0.5 C条件下也能获得稳定的循环性能和1360 mAh cm-3的高体积比容量。该工作对于高载硫锂硫电池的构筑具有重要意义。
图1. 高导电FM@G复合材料的制备及其用于锂硫电池正极和隔膜系统改性的示意图。

图2. （a）GO的TEM图。(b,c) FM@G的TEM图和(d) HAADF-STEM图及相应元素分布。（e）FM@G改性的隔膜照片。

图4 (a)FM@G/87S正极的TEM图和相应的EDS元素分布。(b) FM@G/87S的TGA曲线。(c,d)FM@G系统改性后电池在0.5C和1.0 C下的循环性能及其重要性能参数比较。

图5 (a)放电过程中多硫化物在FM@G纳米片上吸附/转化的示意图。(b)FM@G和rGO对称电池的CV测试；(c)FM@G对称电池CV循环测试。(d)多硫化物吸附实验及紫外-可见光谱测试。(e,f)FM@G和FM@G-LiPS的XPS光谱研究。

本文要点

要点一：金属相硫化钼纳米花负载的石墨烯纳米片（FM@G）的形貌结构表征
在2D的复合材料纳米片中，金属相MoS2纳米花和石墨烯之间的紧密连接，有利于界面电荷的快速转移；纳米花在石墨烯表面分布均匀，无团聚现象，并且纳米花状结构为高硫负载以及多硫化物的吸附/催化转化提供了丰富的界面和位点。因此，多硫化物在FM@G材料的界面可以实现快速氧化还原动力反应。

要点二：FM@G具有强的多硫化物吸附/催化转化能力
XPS表明FM@G中存在丰富的不饱和Mo原子。MoS2中的形成的硫空位有利于多硫化物的吸附和催化转化。此外，均匀分布的含硫空位的MoS2纳米花有利于加快多硫化物的催化转化效率。
通过结合多硫化物吸附实验、紫外-可见光谱和对称电池试验，进一步证明了FM@G具有强的多硫化物吸附/催化转化能力。通过使用含硫空位FM@G高导电复合材料对硫正极和隔膜进行系统改性，利用复合材料在正极侧和隔膜侧的协同吸附/催化转化多硫化物，可以显著提高高硫负载电极的硫利用率和循环稳定性。

要点三：FM@G系统改性的锂硫电池电化学性能显著提升
FM@G的结构框架在高硫负载后保持良好，硫均匀分布，表明FM@G的高硫负载能力。FM@G系统改性后的锂硫电池显示出优异的循环稳定性，经过500个循环后的容量保持率为71.7％。
即使在高载硫下（87 wt%）情况下也能获得稳定的循环性能和1360 mAh cm-3的高放电容量。因此，通过FM@G系统改性的电池对于开发高体积容量和长寿命的锂硫电池具有重要意义。

文章链接

Metallic MoS2 Nanoflowers Decorated Graphene Nanosheet Catalytically Boosts the Volumetric Capacity and Cycle Life of Lithium–Sulfur Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.202003718


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