>

德国张琳教授团队AFM：氮掺杂提高锂硫电池中Co9S8的固定化和催化性能

>

德国张琳教授团队AFM：氮掺杂提高锂硫电池中Co9S8的固定化和催化性能

德国张琳教授团队AFM：氮掺杂提高锂硫电池中Co9S8的固定化和催化性能

科学材料站

2020-07-02

0

导读：本文报道了氮掺杂能同时显著提高Co9S8纳米颗粒在锂电池中的固定化和催化性能。将理论计算与实验研究相结合，发现氮原子可以提高LiPSs与Co9S8的结合能，并能缓解Li2S6正极中Li-S化学反应的迟

点击科学材料站,关注我们

导读

在高性能锂硫电池的设计中，存在着许多关键问题，如穿梭效应和反应动力学迟滞等。基于以上现状，德国汉诺莱布尼兹大学的张琳教授等在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Nitrogen Doping Improves the Immobilization and Catalytic Effects of Co9S8 in Li-S Batteries”的论文。Yuping Liu为本文第一作者。

图1. 图片概要

本文报道了氮掺杂能同时显著提高Co9S8纳米颗粒在锂电池中的固定化和催化性能。将理论计算与实验研究相结合，发现氮原子可以提高LiPSs与Co9S8的结合能，并能缓解Li2S6正极中Li-S化学反应的迟滞动力学。在商用Li2S正极中添加N-Co9S8纳米颗粒时也观察到了同样的效果（这具有各种固有的优点，但不幸的是高过电位）。

在这两种情况下，电池性能都有显著改善。这项工作使掺杂Co9S8成为高性能锂电池设计的重点。对LiPSs穿梭的抑制作用和Li2S在新开发的体系中的催化作用有一个基本的了解，可能会鼓励人们朝着这个有趣的方向努力。

背景简介

1. 锂硫电池的发展与挑战

近年来，对高能量/功率密度、长循环寿命和低材料成本的储能装置的需求不断增加，推动了电池技术的发展。锂电池由于其1672mah g-1的高理论比容量而备受关注，比目前占主导地位的锂离子电池高出约5倍。此外，硫元素自然丰富，价格低廉，环境友好，是电池电极的理想选择。

然而，锂电池面临着自身的一系列挑战。最著名的问题是中间多硫化锂（LiPSs）在电解液中不受控制的溶解。这种所谓的“穿梭效应”导致容量衰减快、库仑效率低。另一个关键问题是绝缘Li2S在电化学反应过程中缓慢的氧化还原动力学，这是近年来研究的热点。锂电池理论容量的75%左右来自于可溶性Li2S4向固态Li2S的转化，因此，催化Li2S的分解和Li2S向Li2Sx的氧化，最终转化为硫也是实现高容量和高CE的关键步骤。因此，需要制定创新的策略可以同时考虑这两个问题。

2. 改善锂硫电池性能的研究

为了改善锂硫电池中多硫化物的固定化，人们付出了巨大的努力，主要是通过在纳米结构碳材料中物理限制硫，或添加碳中间层来抑制锂硫在电解液中的溶解，非极性碳基材料对锂离子电池的吸附能力差，目前只有有限的成功。也有研究工作使用锂离子电池中较小的硫分子（S2-4）来避免穿梭问题，然而，这些工作中的充放电平台相对较低。

最近，有报道在含碳材料中引入杂原子以生成固定化脂肪酶的极性官能团方面取得了开创性的成果。此外，由于与脂肪酶具有相似的极性相互作用，许多其他材料（碳基材料以外的材料）在捕获脂肪酶方面也显示出巨大的潜力或者路易斯酸碱相互作用。例如，金属氧化物，金属硫化物，金属氮化物/碳化物，和铟锡氧化物，最近，单原子也被报道为锂电池的有效催化剂。

另一方面，过渡金属二羟基化合物（TMD）在锂硫电池中很有价值，主要是因为金属d-轨道和不饱和杂原子（如S）产生了具有催化特性的有效d-带结构。它们对LiPSs的催化活性与暴露的边缘位置有关。尽管它们能在一定程度上改善Li-S电池的性能（当与纯S或Li2S6相比时），但结果远不令人满意。

核心内容

在本研究中，作者报告氮掺杂可以同时改善锂电池中Co9S8纳米粒子的LiPSs固定化和氧化还原催化能力。这是因为，一方面，N掺杂是一种优化锂电池电化学性能的有效方法，通过降低催化反应过程中固有的活化势垒。另一方面，在锂电池中锚定LiPSs时，Li-N键比Li-S键更有利。密度功能理论（DFT）计算提供了一个深入了解LiPSs和N-Co9S8纳米颗粒表面之间强化学键的方法。在实验的进一步支持下，作者的结论是N原子显著地增加了结合能，从而有助于防止LiPSs的穿梭。

与未掺杂的Co9S8（在Li2S6正极中）相比，N掺杂的Co9S8在电池性能上有显著的改善。极化越低，容量越大（1233mah g-1在0.2a g-1），氧化还原反应越快（604mahg-1在20ag-1），容量保持性越好（在1000个循环中衰减0.037%循环），硫利用率越高。在高质量负载（高达5 mg cm-2）和高电流密度（高达20 A g-1）下的结果也很好。

图二.

Structural and morphological characterizations of the N-Co9S8 nanoparticles. a) XRD pattern, b) SEM, c) HAADF-STEM. EDXS elemental maps of d) N, e) Co, f) S, and g) their combination for the N-Co9S8 nanoparticles. XPS analysis of the h) Co 2p spectrum, the i) S 2p spectrum, and j) N 1s spectrum.

文章链接:

Nitrogen Doping Improves the Immobilization and Catalytic Effects of Co9S8 in Li-S Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002462

说明

🔹本文内容若存在版权问题，请联系我们及时处理。

🔹欢迎广大读者对本文进行转发宣传。

🔹《科学材料站》会不断提升自身水平，为读者分享更加优质的材料咨询，欢迎关注我们。

投稿请联系contact@scimaterials.cn

点击“在看”分享你的观点

【声明】内容源于网络

0

0

科学材料站

内容 0

粉丝 0

科学材料站

总阅读0

粉丝0

内容0