我院院長唐少春教授和南大孟祥康教授團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和抑制多硫化鋰 (LiPS) 的穿梭效應對鋰硫 (Li-S) 電池的性能提升及商業(yè)化應用至關重要,。近日,，唐少春教授、孟祥康教授團隊開發(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,。通過電化學分析與理論計算，研發(fā)的Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se異質結被證明為結構穩(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,，電池表現出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性：經過2000 次循環(huán)（1C）后容量衰減率僅為0.03%,。在硫負載高達6.4 mg cm^-2和8 μL mg^-1低電解質/硫比例的情況下，電池容量保持9.7 mAh cm^-2,。這項工作為設計具有顯著循環(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異質結構誘導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 圖像和相應的元素映射,，以及 e)數碼照片。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系圖,。g) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP電池在不同溫度下的CV曲線。 h) Li₂S₄ 轉化反應與溫度的關系,。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 電池與報道的復合材料的電化學性能比較,。f) Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se@PP 在 0.1 C 下的電化學性能，S 負載量約為 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)化吸附結構）,。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 擴散路徑的相應分解）。

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

總結與展望

總之,，團隊展示了一種由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 電池的電化學性能,。實驗和理論分析均證實,，Ti₃C₂/(NiCo)_0.85Se異質結構不僅由于親鋰-親硫結合位點而協同錨定LiPSs,，而且還促進了LiPSs的轉化反應和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的高硫負載量和8 μL mg^-1的貧E/S比下,，實現了 9.7 mAh cm^-2的高面積容量。這項工作為開發(fā)先進的雙向異質結構以調整高性能Li-S電池中LiPSs氧化還原反應提供了新的見解,。

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

文章發(fā)表鏈接地址：https://doi.org/10.1039/D2TA05046C