Nano Energy：壳结构锌钴双金属硫化物@氮掺杂碳用于增强锂离子存储

luna1 5年前 (2019-08-12) 5546浏览

【背景】

由于高容量，低成本和环境友好性，过渡金属硫化物作为锂离子电池（LIB）的潜在阳极材料已引起越来越多的关注。然而，由于大的体积变化和缓慢的动力学，它们的实际应用受到较差的循环稳定性和速率能力的阻碍。这里，报道了具有增强的锂储存的蛋黄-壳结构的锌- 钴二元金属硫化物@N-掺杂的碳复合物（Zn-Co-S@NC）。在这种复合材料中，独特的多孔壳结构缩短了Li +/e -扩散距离，并提供足够的空隙空间以适应Li +插入/提取过程的体积变化。N掺杂碳的存在不仅增强了电子转移动力学，而且还改善了结构稳定性。此外，双金属硫化物增强了电化学反应，从而实现了优异的锂储存并减少了副产物的形成。将所得的Zn-Co-S@NC阳极展现显著增强的循环稳定性（1000mA g−1 300次循环之后为667.7 mAh g−1）和倍率性能（5000 mA g−1时为332.2 mAh g−1）。

【成果简介】

近期，广东工业大学魏秀娟，林展和武汉理工大学麦立强共同通讯在Nano Energy期刊上发表题为“Yolk-shell-structured zinc-cobalt binary metal sulfide @ N-doped carbon for
enhanced lithium-ion storage”的研究论文。研究者采用MOFs参与策略设计并制造了具有蛋黄壳结构的CoS/Zn0.754Co0.246S @ N-掺杂碳复合材料(Zn-Co-S@NC)。这些独特的蛋黄壳结构的Zn-Co-S@N-C多面体由平均尺寸为90nm的Zn-Co-S核和厚度为15nm的N-掺杂碳壳组成。在纳米结构中，Zn-Co-S核具有高的载流子能力，所制备的孔隙空间可以缓解较大的体积变化。此外，N掺杂的碳壳层可以提高整体电导率。利用上述优点，制备的蛋黄壳结构Zn-Co-S@N-C多面体具有较高的锂存储容量、优异的速率性能和长期的循环稳定性。

【图文导读】

图1. Zn-Co-S@N-C合成示意图

(a) Zn/Co-ZIF-67 和 Co-ZIF-67 前驱体的XRD图；

(b) Zn/Co-ZIF-67@P和Co-ZIF-67@PDA的XRD图；

(c) Zn-Co-S@N-C和CoS@N-C 的XRD图；

(d) Zn-Co-S@N-C和CoS@N-C的拉曼光谱；

(e，f) Zn-Co-S@N-C和CoS@N-C的N2吸附脱吸附曲线。

图3. Zn-Co-S@N-C 的XPS分析

(a) 全谱; (b) Co 2p谱图; (c) Zn 2p谱图, (d) S 2p谱图, (e) N 1s谱图, and (f) C 1s谱图。

图4. 电镜表征

(a-c) Zn/Co-ZIF-67, Zn/Co-ZIF-67@PDA, Zn-Co-S@N-C的SEM图;

(d，e) Zn-Co-S@N-C 的TEM图；

(f) Zn-Co-S@N-C 的HRTEM晶格图；

(g) Zn-Co-S@N-C 的EDS元素分布图。

图5. 制备的Zn-Co-S@N-C、CoS@N-C和CoS/N-C三种锂离子电池电极的电化学性能

(a) 在200 mA g-1下Zn-Co-S@N-C电极的充放电曲线；

(b) 在200 mA g-1下Zn-Co-S@N-C,CoS@N-C和CoS/N-C电极循环性能跟；

(c) 在1000 mA g-1下Zn-Co-S@N-C电极的长期的循环稳定性；

(d) 在不同的电流密度下Zn-Co-S@N-C电极的充放电曲线；

(e) 电流密度从200 mA g-1到1000 mA g-1，Zn-Co-S@N-C,CoS@N-C和CoS/N-C电极五个循环之后的倍率性能；

(f) Zn-Co-S@N-C, CoS@N-C and CoS/N-C电极的阻抗谱图。

图6. 反应能评估

(a，b) ZnS和CoS阳极的锂化和脱硫反应的反应能(Er)。实线表示主要反应，短虚线表示放电和充电过程中的副反应或副产品。

【结论】

综上所述，采用简单的MOF参与策略成功制备了具有蛋黄壳结构的CoS/Zn0.754Co0.246S@N掺杂碳复合材料。作为锂电池的阳极材料，它具有良好的速率容量、高库仑效率和长期的循环稳定性。特别是Zn-Co-S@N-C复合材料在经过300次循环后，在电流密度为1000 mA g-1的情况下，其可逆容量为667.7 mAh g-1，具有良好的锂存储性能，在高性能储能器件中具有广阔的应用前景。Zn-CoS@N-C复合材料优异的电化学性能归功于其独特的多孔蛋黄壳结构、N掺杂碳基体以及多种金属的协同作用，实验和理论分析均证实了这一点。我们的工作不仅为锂锂电池开发了一种极具发展前景的阳极材料，而且为设计其他用于高效储能的多组分金属硫系阳极材料开辟了一条新的途径。

文献链接

Yolk-shell-structured zinc-cobalt binary metal sulfide @ N-doped carbon for enhanced lithium-ion storage

本文由材料人编辑luna编译供稿，材料牛整理编辑。

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