近期,湖南大學(xué)材料院陳小華教授課題組與澳大利亞臥龍崗大學(xué)的駱文彬教授合作,設(shè)計(jì)合成了高度石墨化的三維定向碳納米管陣列,并對其進(jìn)行氮原子、硼原子的摻雜,進(jìn)一步改善電子結(jié)構(gòu),提高電子或空穴增強(qiáng)的活性位點(diǎn)。
鋰硫
電池具有超高的理論能量密度(2600 Wh/kg),有原材料豐富、價(jià)格低廉以及環(huán)境友好等一系列優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最具吸引力的下一代二次
電池之一。然而,鋰硫電池尚存在著導(dǎo)電性差、容量衰減過快、活性物質(zhì)利用率低以及安全性能差等諸多問題, 這些問題使其實(shí)用化進(jìn)程受到了嚴(yán)重的阻礙。 其主要原因是,鋰硫電池在充放電過程中易形成可溶于電解液的多硫化物,多硫化物穿梭造成活性物質(zhì)減少。為了獲得穩(wěn)定性好、比容量高的硫正極材料,常用的解決方法是采用導(dǎo)電骨架為載體,在提高導(dǎo)電性的同時(shí)抑制多硫化物的穿梭,使其錨定在正極處。 而相比于鋰硫電池,鋰硒電池具有相比擬的體積容量密度 3253 Ah L-1(S: 3467 Ah L-1),且硒相對于硫具有更高的電導(dǎo)率以及更好的循環(huán)穩(wěn)定性。然而,硒卻存在理論質(zhì)量比容量較低(約 670 mAh g-1)的缺陷。硫化硒雖然是一種兼有硫和硒各自優(yōu)勢的新型電極材料, 但仍然存在著導(dǎo)電性低的缺陷,且循環(huán)穩(wěn)定性雖然與鋰硫電池相比有所提高,但仍然未達(dá)到人們希望的水平。因此,開發(fā)一種結(jié)合硫和硒各自優(yōu)勢的新型電極材料具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。
在這次合成中,陳小華教授課題組和駱文彬通過熔融浸漬法將 SexSy 負(fù)載到碳納米管陣列中,形成同軸陣列結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將把高度有序的定向碳納米管的高導(dǎo)電性以及對多硫硒化物的物理限制作用與對多硫硒化物的化學(xué)限制作用相結(jié)合,具有突出的綜合優(yōu)勢:(1)高度石墨化的碳納米管陣列及有序的介孔結(jié)構(gòu)形成了順暢的電解液、電子傳輸通道。(2)利用了雙重限域作用,活性物質(zhì)負(fù)載于碳納米管內(nèi)腔、管壁的分級孔及定向碳納米管間隙中,物理的限域作用可以有效抑制活性物質(zhì)的體積變化和溶出,使電極材料保持整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;(3)碳納米管中的雜原子可以與硫、硒之間形成鍵合作用,提高活性物質(zhì)在碳基表面的吸附,協(xié)同抑制了多硫硒化物的穿梭效應(yīng)。(4)S8分子中引入Se原子進(jìn)一步增強(qiáng)其浸潤性,不但抑制多硫硒化合物的溶解,而且增強(qiáng)微孔的毛細(xì)吸附作用,進(jìn)一步提高活性物質(zhì)的裝載量。該同軸結(jié)構(gòu)作為鋰硫電池正極材料不但顯示出大容量的長循環(huán)穩(wěn)定性,而且具有杰出的大電流性能,能夠滿足未來儲能器件高功率、大能量密度需求。該同軸結(jié)構(gòu)在0.1A /g的電流密度下,容量達(dá)到1404.5 mAh/ g,能量密度高達(dá)1800 Wh /kg,且具有93%的高庫倫效率。 即使在7 A /g的大電流下,容量仍達(dá)到 613 mAh /g, 顯示了突出的大電流性能。這種具有高度有序電子、離子通道,以及物理和化學(xué)雙重限制的多硫化物穿梭的策略,為獲得高性能鋰硫電池提供了一種新的解決途徑。
該成果發(fā)表在國際材料類權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》(影響因子13.325)上,題為“3D Selenium Sulfde@Carbon Nanotube Array as Long-Life and High-Rate Cathode Material for Lithium Storage”。碩士研究生范海寧為該論文的第一作者,湖南大學(xué)為第一單位,陳小華為第一通訊作者,駱文彬?yàn)榈诙ㄓ嵶髡摺?br />
(責(zé)任編輯:子蕊)
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