湖南大学二维材料课题组朱建iScience：共价硒嵌入多级多孔碳纳米纤维正极助力超高面容量锂-硒电池

【引言】

由于硒和硫相似的物理化学特性，锂-硒电池具有和锂-硫电池相似的理论体积比容量（3253 Ah L^-1）。从理论上来说，硒的金属性强于硫，硒正极相较于硫正极具有更高的电子电导率（10^-3 S m^-1）、更高的活性物质利用率和更好的倍率性能。因此锂-硒电池被认为是最有可能替代锂-硫电池的一种储能器件。然而，锂-硒电池也会遭受严重的 “穿梭效应”，从而造成锂-硒电池快速的容量衰减。目前，多孔碳球、碳纳米管和碳纳米纤维等碳载体常被用来克服这一挑战。但是，当前的研究主要局限于低电极负载量和低面容量电极的研究，远不能满足未来产业化应用的需求。

【成果简介】

鉴于此，近期湖南大学二维材料课题组在线报道了一种共价硒嵌入多级多孔氮掺杂碳纳米纤维（CSe@HNCNFs）作为柔性、自支撑、无粘结剂锂-硒电池的正极。多级多孔结构（微/介/大孔和纳米通道）、高含量的氮掺杂和强健的共价键（Se-O和Se-C）不仅可以促进离子和电子在整个电极结构中的快速传输，还可以有效的锚定多硒化合物并为其提供充足的膨胀空间。当负载量为1.52 mg cm^-2、电流密度为40.61 mA cm^-2的时候，所得锂-硒电池可以保持412 mAh g^-1的高比容量（比容量以硒的质量来计算）。另外，当负载量达到37.31 mg cm^-2、电流密度为0.83 mA cm^-2时，此锂-硒电池提供了高达7.30 mAh cm^-2的面容量。这项工作为推进锂-硒电池的产业化迈出了重要的一步。该成果以题为“Covalent Selenium Embedded in Hierarchical Carbon Nanofibers for Ultra-High Areal Capacity Li-Se Batteries”最近发表在国际著名Cell Press出版社旗下首个综合开放获取期刊iScience上。湖南大学硕士生周剑为第一作者，朱建副教授为通讯作者。

【图文导读】

Figure 1. HNCNFs和CSe@HNCNFs的形貌表征

（a）柔性和自支撑式CSe@HNCNFs电极的数码照片

（b和c）CSe@HNCNFs的（b）低倍率和（c）高倍率SEM图像

（d）CSe@HNCNFs的低倍率和（e）高倍率TEM图像

（f）CSe@HNCNFs的高分辨TEM和选取电子衍射图像

（g）CSe@HNCNFs的TEM图像和相应的元素mapping图（碳（h），氧（i），氮（j），硒（k））

Figure 2. HNCNFs和CSe@HNCNFs的结构表征

（a）纯Se、HNCNFs和CSe@HNCNFs的XRD图和（b）拉曼光谱图

（c）CSe@HNCNFs的XPS光谱总图。

（d）CSe@HNCNFs的C 1s的高分辨率XPS光谱图。

（e）纯Se和CSe@HNCNFs的Se 3d高分辨率XPS光谱图。

（f）CSe@HNCNFs的N 1s的高分辨率XPS光谱图。

（g）CSe@HNCNFs和HNCNFs材料的TG曲线。

（h）N₂吸附-解吸等温曲线和（i）HNCNFs和CSe@HNCNFs的孔径分布曲线

Figure 3. CSe@HNCNFs的循环性能研究

（a）0.1 mV s^-1扫速下的循环伏安曲线图

（b）CSe@HNCNFs电极在质量负载量为1.87 mg cm^-2，1 C电流密度下的恒电流充放电曲线

（c）CSe@HNCNFs电极在1 C和10 C电流密度的循环性能和库仑效率图

（d）CSe@HNCNFs电极在不同负载量（1.87，3.99，5.27，7.00和14.04 mg cm^-2），1 C电流密度下的循环性能和库仑效率图

Figure 4.不同负载量CSe@HNCNFs的倍率性能研究

（a）CSe@HNCNFs电极在1.52、3.63、5.46、7.18、10.64和14.37 mg cm^-2的负载量，1 C电流密度下的充放电曲线

（b）1.52 mg cm^-2和（c）27.12 mg cm^-2的负载量下，CSe@HNCNFs的充放电曲线

（d）CSe@HNCNFs电极在不同负载量、不同电流密度下的倍率性能

（e）当负载量为27.12 mg cm^-2时，CSe@HNCNFs电极从0.1到2 C电流密度下的倍率性能

Figure 5.超高负载量CSe@HNCNFs的倍率性能研究

（a）37.31 mg cm^-2负载量的CSe@HNCNFs电极在不同电流密度下的恒电流充放电曲线，以及（b）倍率性能。

Figure 6. CSe@HNCNFs的面容量分析

 (a）不同电流密度下面容量与负载量（1.52-27.12 mg cm^-2）之间的关系

（b）不同负载量下的面容量随电流密度变化的比较

（c）CSe@HNCNFs电极与其他报道的硒基正极之间的面容量比较

【总结】

总之，该工作提出了一种独特的共价硒嵌入多级多孔的氮掺杂碳纳米纤维用于高性能锂-硒电池。该Li-Se电池在1 C的电流密度、1.87 mg cm^-2的负载量下循环2500次，还保持着762 mAh g^-1的比容量（几乎没有容量衰减）。此外，该Li-Se电池在37.31 mg cm^-2的超高质量负载量下可以获得7.30 mAh cm^-2的超高面容量（在所有锂-硒电池中面容量最高）。这种超工业级的质量负载量和面容量为锂-硒电池进一步产业化研究提供了重要参考意义。

文献连接：Covalent Selenium Embedded in Hierarchical Carbon Nanofibers for Ultra-High Areal Capacity Li-Se Batteries. iScience, 2020, 23, 100919, DOI: 10.1016/j.isci.2020.100919.