中科大季恒星Angew:含钴催化剂可显著提高Al-S电池的电化学性能

【研究背景】

可充电铝硫（Al-S）电池由于其安全性、较大的能量密度（8050 mAh cm^-3）和比容量（2890 mAh g^-1）以及组成电极材料的高地球丰度而被认为是锂离子电池系统以外的潜在替代品，但是，由于硫正极的迟滞动力学响应导致高充放电电压滞后和低能量密度，从而降低了整体储能效率。此外，寿命短是限制Al-S电池向应用发展的主要问题。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学季恒星教授团队研究了Co（II，III）对可充电Al-S电池中硫的电化学转化反应的催化作用，从而降低了放电电压滞后，提高了容量保持率和速率容量。当Co（II，III）固定在正极的碳基体中或溶解在离子液体基电解质中时，观察到了Co（II，III）对硫的电化学转化的催化作用，XPS分析表明，Co（II，III）的价态变化与Co（II，III）的价态变化有关。以碳基固体载Co（II，III）为正极组装的Al-S电池具有~0.8v的低电压滞回特性，在1A g^-1条件下进行200次充放电循环后，比容量保持为500 mAh g^-1，3A g^-1循环时比容量保持为300 mAh g^-1，表明改进的反应动力学和正极硫利用率。该文章近日以题为“Rechargeable Aluminum-Sulfur Battery with Improved Electrochemical Performance by Cobalt- Containing Electrocatalyst”发表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

图一、电极性能测试

（a）对称电池的CV曲线。

（b）在电流密度为1A g^-1的情况下，在不同正极材料组成的Al-S电池的第一个循环中测量的恒流放电充电曲线。

（c）Al-S电池的电压滞后，即充电和放电平均电压之间的差值曲线。

图二、Al-S电池中Co（II，III）的化学状态研究

（a）在Co/C和S@Co/C复合粉末上进行的Co 2p光谱的XPS。

（b）在无钴电解液中循环的S@Co/C正极和在含CoCl₂电解液中循环的S@C正极上进行的Co 2p光谱分析。

（c-d）在无钴电解液和CoCl₂电解液中，用S@Co/C组装的Al-S电池的正极和负极上的S 2p的XPS光谱。分别在0.1和1.8 V电压下（相对于Al/Al³⁺）对Al-S电池进行了解压，获得了电池放电和充电状态的XPS数据。

图三、Al-S电池的电化学性能研究

（a）装有S@Co/C和S@C正极的Al-S电池的CV。

（b）在1 A g^-1的电流密度下测得的由S@Co/C正极组成的Al-S电池的恒电流放电-放电曲线及其电压滞后。

（c）S@Co/C正极的速率性能。

（d）在电流密度为1 A g^-1时S@Co/C和S@C正极的循环性能。

图四、电池容量保持率研究

（a）在装有S@Co/C和S@C正极的Al-S电池中，经过10个放电-充电循环后，电解液的UV-vis光谱。

（b）S@Co/C正极在放电和充电状态的XRD图谱。

（c）在放电状态和充电状态下在S@Co/C正极上测得的S 2p的XPS谱图。

【结论展望】

综上所述，作者将Co（II，III）用作Al-S电池的电化学催化剂。在电池中加入Co（II，III），可提高多硫化物的反应活性，降低电压滞后。当Co（II，III）固定在正极的碳基体中或溶解在离子液体基电解质中时，可以观察到Co（II，III）对硫电化学转化的催化作用，这种催化作用可能与Co（II，III）在放电-充电循环中的价态变化有关。当碳基体固定Co（II，III）时，表现出0.8v的低电压滞后，在1 A g^-1下进行200次充放电循环后，比容量保持为500 mAh g^-1，3 A g^-1循环时比容量保持为300 mAh g^-1，表明反应动力学和正极硫利用率有所提高。这一工作对铝硫电池中的电化学催化剂的研究具有一定的参考价值，对进一步提高铝硫电池的动力学响应和电化学性能具有重要意义。

文献链接：Rechargeable Aluminum‐Sulfur Battery with Improved Electrochemical Performance by Cobalt‐Containing Electrocatalyst (Angew. Chem. Int. Ed, 2020, DOI: 10.1002/anie.202008481)

本文由大兵哥供稿。

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