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“外围买球”金属所制备出高性能锂硫电池电极材料

本文摘要:硫作为负极材料,具备较高的理论比容量(比现有商用负极材料的容量高达一个数量级),同时还具备成本便宜、储量非常丰富和环境友好等优点,因而锂硫电池被指出是电化学储能中最有前景的新一代电池之一。但是锂硫电池在南北实际应用于过程中,仍有许多问题亟待解决,如硫和静电产物硫化锂的较低电导率、在充放电过程中构成的可溶性多硫化物在正负极间的来回效应等,不会明显影响电池的倍率性能和循环寿命。

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硫作为负极材料,具备较高的理论比容量(比现有商用负极材料的容量高达一个数量级),同时还具备成本便宜、储量非常丰富和环境友好等优点,因而锂硫电池被指出是电化学储能中最有前景的新一代电池之一。但是锂硫电池在南北实际应用于过程中,仍有许多问题亟待解决,如硫和静电产物硫化锂的较低电导率、在充放电过程中构成的可溶性多硫化物在正负极间的来回效应等,不会明显影响电池的倍率性能和循环寿命。为了解决问题这些问题,可通过在电极材料中,引进客体材料(如碳材料、金属氧化物和氮化物等)构成多组元填充电极,利用客体材料的高导电性和对多硫化物的导电、容许起到来诱导来回效应,从而提升锂硫电池性能。

近期,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(牵头)实验室先进设备炭材料研究部储能材料与器件研究组在高性能多组元填充硫电极材料方面积极开展了系列研究工作。他们首先使用密度绿函理论计算出来,以氮掺入石墨烯作为模型,找到在有所不同的氮掺入形式中吡啶氮的团簇需要较强地导电多硫化物分子,并明确提出了组元与多硫化物相互作用的能量辨别关系。在此基础上,通过氨气高温处置水解石墨烯的方法,取得了具备出色电化学性能、低含氮量的氮掺入石墨烯。为了进一步提高对多硫化物的容许效果,将碳纳米管对多硫化物的物理容许起到与有机硫聚合物中碳-硫键对多硫化物的化学容许起到结合,将有机硫聚合物装弹到阳极氧化铝为模板合成出有的碳纳米管中,制取出有有机硫聚合物/碳纳米管复合材料(图1)。

该复合材料通过碳纳米管的管腔物理容许多硫化物沉淀,同时利用有机硫聚合物中的碳-硫键展开化学方式相同硫,协同诱导了多硫化物的来回效应。然而,对于非极性的碳材料,即使通过掺入等处置仍无法进一步提高其对极性多硫化物的有效地导电,从而无法几乎诱导来回效应。理论计算出来的结果表明,利用极性氧化物来化学导电多硫化物、诱导来回效应的效果要显著高于碳材料。

但是绝缘的氧化物不会妨碍电子和锂离子的传输,减少硫的利用率和倍率性能。如何综合两者的特点,寻找低导电的极性导电材料就沦为研究的核心。为此,研究人员明确提出建构具备化学锚定多硫化物的碳基复合材料电极的研究思路,将碳纳米材料和具备化学锚定多硫化物功能的高导电金属氮化物结合,使用一步水热法将氮化钒纳米带上阻抗在三维石墨烯基体上,以多硫化锂作为活性物质填满在石墨烯与氮化钒复合材料集流体的三维孔道中(如图2右图)。这种填充的负极结构既充分利用了石墨烯三维骨架和孔结构,又融合了高导电的极性氮化钒对多硫化物的化学导电和转化成促进作用,有效地解决问题了由“来回效应”带给的容量波动及库伦效率低等问题,取得了出色的电化学性能。

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比起于单一的石墨烯电极,氮化钒/石墨烯填充电极的极化更加小、水解还原成反应动力学更加慢,表明了较好的倍率和循环性能,在高能锂硫电池的应用于中有可能具备极大潜力。同时,金属氮化物是一个大家族,其低导电性与化学极性的特征,可为涉及电化学应用于获取新的自由选择。


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本文来源:外围买球-www.lwfutian.com

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