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钙钛矿型锂硫电池正极抑制多硫化物的技术研究

时期:2021-05-21 21:53 点击数:
本文摘要:【章节】锂硫电池具备低的理论比容量(1675mAhg-1)和理论能量密度(2600Whkg-1),是目前最有研究价值和应用于前景的锂二次电池体系之一。但锂硫电池在南北实际应用于的道路上仍面对着很多问题,其中一个最重要问题就是多硫化物的来回效应,即充放电过程中构成的多硫化物(Sn2-,3≤n≤8)沉淀在电解质溶液中,这不仅不会造成负极硫活性物质的萎缩,多硫化物还不会利用隔膜蔓延到负极,被锂还原成分解不溶解的Li2S2和Li2S吸附在负极表面。

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【章节】锂硫电池具备低的理论比容量(1675mAhg-1)和理论能量密度(2600Whkg-1),是目前最有研究价值和应用于前景的锂二次电池体系之一。但锂硫电池在南北实际应用于的道路上仍面对着很多问题,其中一个最重要问题就是多硫化物的来回效应,即充放电过程中构成的多硫化物(Sn2-,3≤n≤8)沉淀在电解质溶液中,这不仅不会造成负极硫活性物质的萎缩,多硫化物还不会利用隔膜蔓延到负极,被锂还原成分解不溶解的Li2S2和Li2S吸附在负极表面。来回效应不仅减少了硫的利用率,容许了比容量,还不会减少锂硫电池的循环稳定性,延长其寿命。

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为了容许锂硫电池中的来回效应,一般来说使用以下两种方法:(1)在硫表面构成碳材料外壳层,对多硫化物的沉淀和蔓延起着物理容许起到;(2)用氧化物、硫化物、金属-有机框架(MOF)等极性化合物作为负极材料,与多硫化物构成强劲的偶极-偶极相互作用,对多硫化物的沉淀和蔓延起着化学容许起到。碳/硫填充结构虽然能在一定程度上提升硫的利用率并缩短循环寿命,但依然不存在显著的容量波动问题。

而氧化物、硫化物、金属-有机框架(MOF)等虽然能有效地容许多硫化物的来回效应,但其导电性劣也不会导致倍率性能劣及硫利用率较低的问题。因此,必须融合上述两种方法的优势,构筑倍率性能及循环稳定性更佳的锂硫电池负极。【成果概述】近日,华中科技大学的黄云辉教授和袁利霞副教授(联合通讯作者)课题组首次以钙钛矿型的La0.6Sr0.4CoO3-δ(以下全称为LSC)作为负极材料,构筑LSC/S@C纳米篮核壳结构,并将该体系作为负极,有效地诱导了多硫化物的来回效应,取得了出色的比容量和循环稳定性。当硫负载量为2.1mgcm-2,充放电倍率为0.5C时,LSC/S@C的共轭比容量高达996mAhg-1,循环充放电400次时的容量波动仅有为0.039%。

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当硫负载量减少到5.4mgcm-2时,LSC/S@C负极依然能维持较高的硫利用率及循环稳定性。研究指出,向LaCoO3晶体中掺入Sr元素不会造成Co离子价态的转变和氧空位的分解,其中混合价态的Co离子对多硫化物有更加强劲的吸附作用,而氧空位能强化Li2S4和LSC之间的结合力。此外,Sr元素掺入与碳材料外壳层的联合起到造成LSC/S@C体系具备高达52.63Scm-1的电导率,从而填补了硫电导率较低的问题。该研究成果以“PerovskiteLa0.6Sr0.4CoO3-δasaNewPolysulfideImmobilizerforHigh-EnergyLithium-SulfurBatteries”为题,公开发表在NanoEnergy上。

【图文简介】图1.LSC/S@C的制取过程再行用静电纺丝融合热处理的方法制取获得LSC多孔纤维,利用于是以硅酸乙酯(TEOS)水解在LSC多孔纤维表面外壳SiO2层,再行用液相单体方法在LSC@SiO2表面获得一层间苯二酚-甲醛树脂,高温碳化后获得LSC@SiO2@C体系,用HF光刻除去SiO2,最后利用硫在高温下的升华和凝结把硫填满在LSC和C层之间,获得LSC/S@C纳米篮核壳结构。图2.形貌及结构密切相关(a)LSC多孔纤维的SEM图。(b)LSC多孔纤维的TEM图,可见LSC多孔纤维是由相互连接的LSC颗粒包含的。

(c)LSC多孔纤维的HRTEM图。(d)LSC@SiO2的TEM图。(e)LSC@SiO2@C的TEM图。(f)LSC/S@C的TEM图。

(g)LCO、LSC、LSC/Li2S4、LSC/S@C的XRD。(h)LSC多孔纤维的N2等温导电/干附线,其比表面积为70.3m2g-1。


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