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南京大學團隊在高性能鋰硫電池復合正極材料方面取得新進展

發布者:admin時間:2017-09-20瀏覽量: 800

南京大學化學化工學院金鐘、劉杰教授帶領的“先進能源材料與器件課題組”在鋰硫電池正極材料方面取得新進展。相關研究成果近期以《Cerium Oxide Nanocrystal Embedded Bimodal Micromesoporous Nitrogen-Rich Carbon Nanospheres as Effective Sulfur Host for Lithium−Sulfur Batteries》為題發表在ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03227)。南京大學博士研究生馬連波為論文第一作者,金鐘教授為通訊作者。
 
        隨著便攜式電子設備以及電動交通工具的不斷更新換代,研發高性能的二次電池已經成為新能源領域的當務之急。鋰硫電池由于其高理論比容量(~1672 mAh g-1)和能量密度(~2600 Wh kg-1)而受到廣泛關注。另外,在自然界中,硫的儲量非常豐富,這也使得鋰硫電池在大規模應用方面具有明顯的潛在優勢。然而,鋰硫電池的實際應用也存在一些待解決的問題,比如:單質硫在鋰化時的體積膨脹、多硫化鋰中間體(Li2Sx)在電解液中的溶解擴散、以及單質硫和硫化鋰(Li2S)的低導電性等等。這些問題限制了鋰硫電池的性能和應用推廣。
 
       針對以上問題,本團隊設計了一種基于極性金屬氧化物/氮摻雜微介孔碳球復合物的鋰硫正極材料(圖1)。通過硝酸鈰溶液的水解,即可在氮摻雜微介孔碳球(MMNC)的孔隙內部鑲嵌尺寸均一的氧化鈰(CeO2)納米晶。一方面,該復合結構中碳球的微孔-介孔組合體系能夠有效緩沖單質硫在鋰化時的體積膨脹、阻止多硫化鋰的穿梭效應并提高了復合正極材料的導電性,另一方面,該復合結構可以充分利用極性金屬氧化物對多硫化鋰的化學吸附以及電催化作用,達到進一步限制多硫化鋰的目的(圖2)。以上兩種作用的協同效應充分保證了鋰硫電池的高比容量以及高循環穩定性。
 
       作者通過調節CeO2/MMNC-S復合電極中的硫擔載量,獲得了電化學性能最優化的鋰硫電池。此外,作者通過將CeO2/MMNC-S與MMNC-S(不含CeO2)電極進行對比,證實了CeO2/MMNC對多硫化鋰具有很強的吸附能力以及催化性能,且其循環穩定性和倍率性能都有很大提升。這種電極材料表現出較為優異的倍率性能;以1.0 C的電流密度循環500圈后,比容量仍能維持在836 mAh g-1;以2.0 C的電流密度循環1000圈后,比容量仍能維持在721 mAh g-1,平均每圈的衰減速率僅為0.024%(圖3和圖4)。更為重要的是,在單質硫的面積負載率高達3.4 mg cm-2下,仍然具有穩定的循環性能和高面積容量。這項工作設計了一種全新結構的鋰硫正極復合材料,為實現發展新一代高容量、高穩定性和高能量密度鋰硫電池提供了新思路。
 
    該研究工作得到了國家重點研發計劃、973計劃、青年千人計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的資助。
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