华科李箐教授ACS Nano：双功能原子分散Mo-N2/C纳米片促进了稳定的锂硫电池中硫化锂的沉积/分解- 大数跨境

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华科李箐教授ACS Nano：双功能原子分散Mo-N2/C纳米片促进了稳定的锂硫电池中硫化锂的沉积/分解

科学材料站

2020-07-27

导读：作者开发了具有原子分散Mo-N2/C活性中心的多孔Mo-N-C纳米片，并将其用作锂硫电池的高效、耐用正极。Mo-N配位结构和高比表面积使得Mo-N-C纳米片具有很高的LiPS吸附能力并能有效的抑制穿梭

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通讯作者：李箐*

单位：华中科技大学

背景简介

目前，商用锂离子电池由于容量和能量密度有限，不能满足日益增长的清洁能源需求。锂硫电池以其出色的理论容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600 Wh kg-1）被认为是继LIBs之后的下一代储能器件的候选者。然而，在实际应用中存在着一些障碍。

多硫化锂（LiPS）中间体（Li2Sx，2≤x≤8）的缓慢转化动力学以及S的绝缘特性和放电产物Li2S阻碍了电子的有效传输，破坏了S8/Li2S的连续氧化还原转化，导致容量有限、极化大、S利用率低。同时，高溶解度的Li2Sx向负极扩散并发生化学还原反应，从长链Li2Sx（4≤x≤8）到短链Li2Sx（2≤x<4），导致穿梭效应，破坏循环性能，降低库伦效率。

文章介绍

近日，华中科技大学李箐教授在国际顶级期刊ACS Nano (影响因子：14.588) 上发表题为“Bifunctional Atomically Dispersed Mo-N2/C Nanosheets Boost Lithium Sulfide Deposition/Decomposition for Stable Lithium-Sulfur Batteries”的研究工作。

作者受生物催化中具有稳定Mo-S键的钼酸酶的启发，开发了具有原子分散Mo-N2/C位的多孔Mo-N-C纳米片作为正极，以提高LiPS对Li-S电池的吸附和转化率。由于其高的固有活性和独特的Mo-N配位结构，与S / N-C相比，S / Mo-N-C的速率能力和循环稳定性由于加速动力学和抑制的穿梭效应而大大提高。

S/Mo-N-C在5C速率下可提供743.9 mAh g-1的高可逆容量，在2 C速率下经过550次循环后，其容量衰减率极低，仅为0.018%，性能优于大多数已报道的电极。密度泛函理论（DFT）计算表明，Mo-N2/C位可以双功能地降低Li2S4到Li2S转化的活化能和Li2S的分解势垒，这是Li2S具有较高的LiPS转化活性的原因。

该文章共同第一作者为华中科技大学的马峰博士、California State University Northridge的Yangyang Wan等，李箐教授为本文通讯作者。

要点解析

要点一：制备过程与结构表征

图1.

（a）Mo-N-C纳米片的制备示意图。

（b）Mo-N-C和N-C样品的XRD图谱和

（c）拉曼光谱

要点二：材料形貌表征

图2.

（a）Mo-NC-4-900的TEM图像，

（b）Mo-N-C4-900的原子STEM图像，

（c）S / Mo-NC-4-900的HAADF-STEM图像，（d-h）是S / Mo-NC-4-900的相应元素映射图像（红色代表Mo（d），白色代表N（e），蓝色代表C（f），黄色代表S（g））

要点三：Mo价态检测

图3.Mo-N-C-4-900的高分辨率

（a）Mo 3d和（b）N1s XPS光谱。Mo-N-c-4-900、Mo箔和Mo2C样品的Mo K边缘（c）XANES和（d）k3加权FT-EXAFS光谱

要点四：性能测试

图4.

（a）Li2S4溶液浸泡后的紫外可见光谱。

（b）在0.1 M Li2S8正极液中测量的电极的LiPS转换实验，扫描速率：1 mV S-1。Li2S在MoN-C-4-900和N-C上的（c）沉积和（d）分解测试。红色区域表示沉积或分解的Li2S量。

（c）和（d）的插图显示了测试后电极的形态。（f）Li-S分解测量后的N-C，Mo-N-C-4-900电极和制备的S / Mo-N-C-4-900电极的S 2p XPS光谱。

要点五：电极性能

图5.

（a）所研究电极的倍率性能。

（b）S / Mo-N-C-4-900在各种电流密度下的放电/充电曲线。

（c）电极在1 C速率下的循环性能。

（d）S / Mo-N-C-4-900和S / N-C电极在2 C速率下的循环性能。

以（e）S / Mo-N-C-4-900和（f）S / N-C为正极的循环Li负极的SEM图像。

（g）循环Li负极的元素含量。

（e）和（f）的插入图显示了循环Li负极的EDS光谱。在EDS测量中无法检测到Li的信号。

要点六：Mo-N2/C结构促进LiPS转变的机制

图6.

（a）LiPS在N-C和Mo-N2 / C上的最佳吸附构象。（b）Mo-N2/C和N-C对Li2S8，Li2S4和Li2S的吸附能。

（c）Mo-N2 / C和N-C上Li2S8，Li2S4和Li2S的吉布斯自由能变化。

要点七：Li2S的分解

图7.

（a）在Mo-N2/C和N-C上，Li2S分解为LiS和LiS分解为S的途径；

（b）和（c）在步骤1（b）和步骤2（c）中在Mo-N2/C和N-C上分解Li2S的能谱。IS，TS和FS分别代表Li2S分解路径的初始状态，过渡状态和最终状态。

结论

综上所述，作者开发了具有原子分散Mo-N2/C活性中心的多孔Mo-N-C纳米片，并将其用作锂硫电池的高效、耐用正极。Mo-N配位结构和高比表面积使得Mo-N-C纳米片具有很高的LiPS吸附能力并能有效的抑制穿梭效应。

因此，S/Mo-N-C电池在5C的电流密度下可提供743.9 mAh g-1的高容量，并且在长期循环中相当稳定，在2C下的550次循环中，每次循环的容量衰减率非常低，仅为0.018%。即使在8.0 mg cm-2的高S负载为，但在0.1C时，S/Mo-N-C的表面积容量为8.6 mAh cm-2，70次循环后的容量为7.5 mAh cm-2，有望在实际锂硫电池中应用。

DFT计算表明，Mo-N2/C结构可以双功能地降低Li2S沉积和分解的能垒，使LiPS转变动力学大大增强，具有良好的倍率性能和稳定性。本文提出了一种为实用锂硫电池和其他能量转换/储存装置开发合理设计的催化剂的策略。

文章链接:

Bifunctional Atomically Dispersed Mo-N2/C Nanosheets Boost Lithium Sulfide Deposition/Decomposition for Stable Lithium-Sulfur Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03325

导师简介:

李箐，华中科技大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，材料物理与化学中心主任。

主要经历：

2001.9-2005.7：武汉大学化学与分子科学学院本科（导师：胡胜水教授）

2005.9-2010.7：北京大学化学与分子工程学院博士（导师：邵元华教授）

2011.1-2013.8：美国洛斯阿拉莫斯国家实验室博士后（导师：Dr. Piotr Zelenay）

2013.8-2015.12：美国布朗大学博士后（导师：孙守恒教授）

2016.3至今：华中科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师

科研成果 ：

主要从事电催化、质子交换膜燃料电池、材料化学等领域的研究。入选中组部高层次人才计划。已在SCI英文期刊上发表学术论文100余篇，其中J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun.等影响因子10以上的国际顶级杂志30余篇。论文共被引用7000余次，H指数为42。17篇文章被评为ESI热点和高引用论文，申请/授权美国/中国专利十余项。主持/参与国家自然科学基金面上项目, 国家重点研发计划“材料基因工程关键技术与支撑平台”专项，湖北省技术创新专项重大项目，深圳市科创委基础研究计划等多个项目，团队总经费>1000万。团队与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，布鲁克海文国家实验室，纽约州立大学布法罗分校，布朗大学，加州州立大学，韩国蔚山科学技术大学，台湾同步辐射光源等研究机构保持着长期合作交流关系。与万润、众宇、贝特瑞等知名企业进行产业化合作。

引用：http://echem.mat.hust.edu.cn/info/1007/1007.htm