清华深研院Nano Energy 锂硫电池高倍率长寿命新途径-促进多硫化物转化

【引言】

近来，石墨烯基组件因其优异的导电性和高表面积而被人们看做是锂硫电池中有前景的碳载体材料。石墨基组件的二维结构和大孔径有利于充放电过程中反应动力学的快速进行，然而这种结构中具有少量的微型小尺寸孔，无法限制多硫化锂(LiPSs)的往返运动。因此，在往返运动的影响下，在石墨烯表面形成的LiPSs十分容易溶解在电解质中，降低了电池的电容效率和库伦效率。所以，要想获得具有高能倍率性能和长久循环稳定性的锂硫电池，关键在于对石墨烯表面进行改性。

【成果简介】

近日，清华大学深圳研究生院杨全红和吕伟老师(共同通讯作者)在Nano Energy上发表了一篇题为“Propelling polysulfides transformation for high-rate and long-life lithium–sulfur batteries”的文章。在该文报道中，研究人员通过水热法使一个三维分层多孔石墨烯宏观结构与均匀分布的α-Fe₂O₃纳米颗粒复合在一起(标记为Fe-PGM)，并将其设计为锂硫电池中的硫载体。在这种混合结构中，α-Fe₂O₃纳米颗粒不仅能够与多硫化物强烈结合，而且更为重要的是在充放电过程中它们能够转化为不溶性物质，对多硫化锂(LiPSs)的往返运动起到化学屏障的作用，因此与三维分层多孔结构一起促进了电子/离子的快速传递。同时，阴极中的Fe-PGM使得电池具有一个高倍率性能(5 C倍率时电容量为565 mAh/g)和长久的循环稳定性(在5 C高倍率1000多次循环中，每次循环后电容量仅以0.049%的超低速率衰减)。

【图文导读】

图1.硫和Fe₂O₃纳米颗粒在石墨烯表面的转化过程示意图

Fe2O3纳米颗粒被引入石墨烯片层上，并对LiPSs进行化学吸附，以此限制多硫化物的往返运动，同时在充放电过程中加速了LiPSs溶解生成溶解产物。

图2.Fe-PGM和Fe-PGM-S杂化物的形貌表征

(a-b)Fe-PGM的SEM图

(c)Fe-PGM的TEM图

(d)α-Fe₂O₃纳米颗粒在Fe-PGM中的高分辨TEM图，插图是α-Fe₂O₃的SAED谱图

(e)Fe-PGM-S的TEM图

(f)Fe-PGM-S的STEM图

(g-k)Fe-PGM-S的元素扫描分布图

(l)氧化石墨烯(GO)、硫、α-Fe₂O₃、PGM、Fe-PGM和Fe-PGM-S的XRD谱图

图3.LiPSs和α-Fe₂O₃的强烈结合

(a)Fe-PGM-S中C的1 s轨道XPS曲线

(b)Fe-PGM-S中N的1 s轨道XPS曲线

(c)Fe-PGM-S中Fe的2 p轨道XPS曲线

(d)Fe-PGM-S中S的2 p轨道XPS曲线

(e)PGM-S杂化物中S的2 p轨道XPS曲线

(f)溶解在Li₂S₆-DME溶剂中的PGM及Fe-PGM的光学图像

图4.不同阴极材料的锂硫电池的电化学性能

(a-c)电池的CV图，阴极材料分别为PGM-S、Fe-PGM-S和Fe-PGM-2-S，扫描速率为0.1 mV/s

(d-f)电池的充放电曲线图，阴极材料分别为PGM-S、Fe-PGM-S和Fe-PGM-2-S

(g)相应氧化还原反应的Tafel散点图

图5.循环性能

(a)2 C倍率下，不同阴极材料电池的循环性能，右侧纵坐标是库伦效率

(b)5 C倍率下，不同阴极材料电池的循环性能

图6.分子吸附计算

(a-b)分别为Li₂S₄吸附在α-Fe₂O₃和石墨烯上时计算得到的差分电荷密度，差分电荷密度由0.007 e/ų等值面表示，等值面中黄色代表富电子区域，蓝色代表缺电子区域。绿色、紫色、黄色、红色和灰色球分别代表Li、S、Fe、O和C原子

【小结】

本文报道一种由三维分层多孔石墨烯宏观结构与均匀分布的α-Fe₂O₃纳米颗粒复合形成的阴极材料所制成的锂硫电池，该电池具有优异的高倍率充放电性能和循环稳定性，这也是锂硫电池在实际应用中的一个重要发展。

文献链接：Propelling polysulfides transformation for high-rate and long-life lithium–sulfur batteries (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.01.040)

本文由材料人新能源组 Jon 供稿，材料牛编辑整理。

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