我院院長唐少春教授和南大孟祥康教授團(tuán)隊在商用鋰硫電池隔膜雙向高性能催化劑開發(fā)方面取得進(jìn)展

第一作者：任逸倫,，昌紹忠,，胡立兵

通訊作者：唐少春，孟祥康

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加速硫氧化還原反應(yīng)和抑制多硫化鋰 (LiPS) 的穿梭效應(yīng)對鋰硫 (Li-S) 電池的性能提升及商業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要,。近日,，唐少春教授、孟祥康教授團(tuán)隊開發(fā)出了一種高效的雙向電催化劑(Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se),，該催化劑由均勻分散的(NiCo)_0.85Se納米顆粒嵌入二維Ti₃C₂納米片所組成,。通過電化學(xué)分析與理論計算，研發(fā)的Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se異質(zhì)結(jié)被證明為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的雙向電催化,，不僅為催化過程提供了豐富活性位點,，而且為固定LiPSs提供了大量親鋰-親硫位點。此外,，(NiCo)_0.85Se納米粒子防止了Ti₃C₂納米片的堆疊,，確保了快速電子/離子傳輸。

將Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se用于Li-S 電池商用隔膜的表面改性,，電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性：經(jīng)過2000 次循環(huán)（1C）后容量衰減率僅為0.03%,。在硫負(fù)載高達(dá)6.4 mg cm^-2和8 μL mg^-1低電解質(zhì)/硫比例的情況下，電池容量保持9.7 mAh cm^-2,。這項工作為設(shè)計具有顯著循環(huán)穩(wěn)定性的高性能鋰硫電池雙向電催化劑提供了一般策略,。

本文亮點

1. 開發(fā)出了一種嵌入導(dǎo)電二維Ti₃C₂ 納米片中均勻分散(NiCo)_0.85Se納米顆粒的高效雙向電催化劑。

2. Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se異質(zhì)結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)Li₂S均勻成核并催化其分解,，并提供豐富的親鋰-硫磺錨定位點固定LiPSs,。

3. 開發(fā)的電催化劑賦予Li-S電池超高的循環(huán)穩(wěn)定性，在1 C下超過 2000次循環(huán),，單個循環(huán)的容量衰減僅為0.03%,。

圖文解析

圖1. a) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se 的合成示意圖。Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se的 b) TEM 圖像，c,，d) HRTEM 圖像,，e) SAED 衍射圖，和f) HADDF-STEM 圖像和相應(yīng)的元素映射,。g) XRD和h)Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se,、Ti₃C₂和 (NiCo)_0.85Se的XPS測量光譜。i) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se的 N₂吸附-脫附等溫線曲線和孔徑分布,。

圖2. a) PP 和 b) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP 的 SEM 圖像和數(shù)碼照片（插圖）,。Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP 隔膜的c) 橫截面 SEM 圖像，d) SEM 圖像和相應(yīng)的元素映射,，以及 e)數(shù)碼照片,。f-i) 不同隔膜的多硫化物滲透測試。A：PP,，B：Ti₃C₂@PP,，C：(NiCo)_0.85Se@PP 和 D：Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP。

圖3. a) 添加 Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se,、 (NiCo)_0.85Se 和 Ti₃C₂ 后 Li₂S₆ 溶液的紫外-可見吸收光譜,。 插圖是 Li₂S₆ 溶液的數(shù)碼照片。 高分辨率 b) Se 3d, c) Ti 2p, d) Ni 2p 和 e) Co 2p 吸附 Li₂S₆ 前后的 XPS 光譜,。 f) 對稱電池在 0.5 mV s^-1 時的 CV 曲線,。Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se 電極的 g) 恒電位放電，h) SEM 圖像和 i)恒電位充電曲線,。

圖4. a) CV 曲線和 b) 從不同電池的 B 峰計算的 Tafel 圖,。c) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP在不同掃描速率下的CV曲線。d) A,、e) B 和 f) C 的 CV 峰值與掃描速率的平方根的關(guān)系圖,。g) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP電池在不同溫度下的CV曲線。 h) Li₂S₄ 轉(zhuǎn)化反應(yīng)與溫度的關(guān)系,。i) Li₂S_n 還原的活化能 (Ea),。

圖 5. a-c) 不同電池在 0.1C 時的 GITT 電壓曲線。d) Li₂S 成核點和 Li₂S 活化點的電位差,。e) EIS曲線和 f) 不同電池的倍率性能,。g-h）不同電池在 0.2 C 的第一個循環(huán)中的恒電流充放電曲線。i）不同倍率下的充放電曲線之間的電勢差,。

圖6. a) 0.2 C, b) 充放電曲線和 c) 在不同電池的不同循環(huán)中的低平臺（表示為 Q_L）的放電容量,。d) 1 C 下的長期循環(huán)性能。插圖是一張照片顯示了由Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP 電池供電的 LED燈,。e) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP 電池與報道的復(fù)合材料的電化學(xué)性能比較,。f) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP 在 0.1 C 下的電化學(xué)性能,，S 負(fù)載量約為 6.4 mg cm^-2，E/S 比為 8 μL mg^-1,。g) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP電池經(jīng)過循環(huán)測試后從中拆解回收的隔膜和鋰箔的 SEM圖像,。 

圖 7. a) Li₂S₄ 在Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se 上的電子密度差異。b) (NiCo)_0.85Se 和 Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se 對硫物系的計算吸附能,。c) (NiCo)_0.85Se 和 Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se 上從 S₈ 還原為 Li₂S 的相對自由能（插圖：硫物系在 Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se 基底上的優(yōu)化吸附結(jié)構(gòu)）,。d-f) Li₂S 在 Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se、Ti₃C₂ 和 (NiCo)_0.85Se 上的分解勢壘的能量分布（插圖：Li₂S 擴(kuò)散路徑的相應(yīng)分解）,。

圖 8. Li₂S 在 Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se 基體上的成核和溶解機(jī)理示意圖,。

總結(jié)與展望

總之,，團(tuán)隊展示了一種由0D (NiCo)_0.85Se納米顆粒和2D Ti₃C₂納米片制成的雙向電催化劑,，旨在提高Li-S 電池的電化學(xué)性能。實驗和理論分析均證實,，Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅由于親鋰-親硫結(jié)合位點而協(xié)同錨定LiPSs,，而且還促進(jìn)了LiPSs的轉(zhuǎn)化反應(yīng)和Li₂S的分解。組裝后的鋰硫電池在5 C下具有600.3 mAh g^-1的出色倍率能力和出色的循環(huán)穩(wěn)定性,，在2000次循環(huán)下,，在1 C下每循環(huán)0.03%的超低容量衰減率。此外,，在6.4 mg cm^-2的高硫負(fù)載量和8 μL mg^-1的貧E/S比下,，實現(xiàn)了 9.7 mAh cm^-2的高面積容量。這項工作為開發(fā)先進(jìn)的雙向異質(zhì)結(jié)構(gòu)以調(diào)整高性能Li-S電池中LiPSs氧化還原反應(yīng)提供了新的見解,。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金（51771090）,，江蘇省科技廳重點研發(fā)計劃（BE2020684），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（14380163）的聯(lián)合支持,。

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