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深圳大學(xué)《Nano Energy》調(diào)控硫缺陷,獲得高性能全固態(tài)鋅電池!

時(shí)間:2020-08-22 14:08來(lái)源:材料科學(xué)與工程 作者:Today
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       導(dǎo)讀:本文制備了雙金屬NiCo2S4-x納米陣列,應(yīng)用于鋅電池時(shí)具有極高的比容量和良好的倍率性能。具有可調(diào)控的硫缺陷可以明顯的增加電化學(xué)反應(yīng)時(shí)的電導(dǎo)率和活性位點(diǎn)的數(shù)量。該可調(diào)控缺陷的策略對(duì)于制備其他高性能氧、磷、硫化物電極具有極高的指導(dǎo)和借鑒意義。
 
       由于具有較高的容量、較好的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,NiCo2S4被視作一種擁有巨大潛力的能源材料,雖已被報(bào)導(dǎo)應(yīng)用于Li/Na離子電池、超級(jí)電容器、鋅空電池等,但此前還未被嘗試在可充電鋅電池中用作電極材料。
 
       近日,深圳大學(xué)材料學(xué)院的李均欽教授及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩步水熱法,在炭布上原位生長(zhǎng) NiCo 2 S4-x納米纖維陣列,并通過(guò)調(diào)節(jié)Na2S的量還可以進(jìn)一步調(diào)控硫缺陷。電極應(yīng)用于鋅電池時(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能,并在利用聚丙烯酸鈉水凝膠電解質(zhì)組成了柔性電池時(shí)還顯示了其作為可穿戴柔性電池的巨大潛力。相關(guān)論文以題為“Enabling Flexible Solid-State Zn Batteries via Tailoring Sulfur Deficiency in Bimetallic Sulfide Nanotube Arrays”在Nano Energy上發(fā)表。
 
       可充電鋅電池作為鋰離子電池的替代者之一,其鋅負(fù)極具有低廉的成本、較低的電位和超高的理論容量。此外由于可以使用水系電解液,鋅電池的安全性也遠(yuǎn)高于目前常用的鋰離子電池。而在正極材料方面,鎳基材料憑借較高的工作電壓(約1.75 V),氧化鎳、硫化鎳納米等材料已被一些學(xué)者報(bào)導(dǎo)作為鋅電池正極。但其的電化學(xué)性能還較差,遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求,還需要進(jìn)一步的研究?jī)?yōu)化。
 
       本文中,作者針對(duì)以上問(wèn)題,通過(guò)在炭布上原位生長(zhǎng)NiCo2S4-x納米陣列,實(shí)現(xiàn)了可調(diào)控硫缺陷,電極表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能和極好的柔韌性。硫缺陷的的引入不僅提高了材料的導(dǎo)電性,還可以電化學(xué)反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)。對(duì)反應(yīng)過(guò)程表征發(fā)現(xiàn)沖放電過(guò)程中,電極材料會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱驌诫s的氧化鎳(Ni(Ⅱ)(O,S))和氧化鈷(Co(Ⅱ)(O,S)),而殘余硫的摻雜效應(yīng)又有助于維持雙金屬電極材料的高反應(yīng)活性和循環(huán)穩(wěn)定性。在0.5 A g-1的電流密度下電極可以提供298.3 mAh g-1的超高比容量,而即使在5 Ag-1的高電流密度下比容量依舊還保有175.7 mAh g-1。此外,作者還利用聚丙烯酸鈉水凝膠電解質(zhì)組裝了柔性全固態(tài)電池,以展示其在可穿戴柔性電池方面的應(yīng)用潛力。
 
       總結(jié)來(lái)說(shuō),作者通過(guò)兩步水熱法,制備了一種新型可調(diào)控硫缺陷的NiCo2S4-x納米纖維陣列/炭復(fù)合電極,并在鋅電池中表現(xiàn)出了令人滿意的電化學(xué)性能。通過(guò)非原位XRD對(duì)其反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了表征,并指出殘余S的摻雜是電極優(yōu)異電化學(xué)性能的重要原因之一。最后,作者還制備了全固態(tài)柔性電池并表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。該制備思路和硫缺陷調(diào)控策略擴(kuò)大了鋅電池正極材料的的選擇,并為其他的電極材料的設(shè)計(jì)研究提供了參考和指導(dǎo)。
圖1 (a) sd-NiCo2S4-x@CC電極的制備過(guò)程示意圖;(b)樣品的XRD圖譜。
圖2 (a)-(b) 炭布的SEM照片;(c)-(d)第一次水熱后樣品的SEM照片;(e)-(l) sd-NiCo2S4-x@CC的SEM照片、TEM照片、HRTEM照片、衍射花樣圖和元素映射照片。
圖3 樣品的XPS分析圖譜。
圖4 樣品的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。
圖5 ( a)-(b)sd-NiCo2S4-x@CC 的非原位XRD測(cè)試圖;(c) sd-NiCo2S4-x@CC循環(huán)一次后的SEM照片;(d)-(f) sd-NiCo2S4-x@CC倍率測(cè)試后的SEM照片、TEM照片、HRTEM照片;(g)-(i) sd-NiCo2S4-x@CC循環(huán)前后的XPS測(cè)試圖譜。
圖6 所組裝的全固態(tài)柔性鋅電池的示意圖和測(cè)試結(jié)果。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 全固態(tài)鋅電池 Nano Energy
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