武漢理工大學Nano Energy : 自適應介孔CoS-小泡狀碳殼蛋黃-蛋殼微球用于堿金屬離子儲存

【引言】

相比插入式陽極材料，過渡金屬硫化物（TMCs）具有較高的可逆容量。近來，由于硫化鈷較低的成本和較高的理論容量，被用于Li⁺和Na⁺主體材料。然而，嚴重的體積變化帶來的不利影響使其難以滿足良好的電化學性能要求，尤其是循環性能。構筑微納分級結構（如空心結構CoS_x）以及復合碳材料（如夾層型硫化鈷-石墨烯復合材料）可以改善其電化學性能。然而，自身結構的改變以及開放碳體系修飾無法完全克服嚴重的體積變化。經過研究已證實如蛋黃-蛋殼碳涂覆結構的限制性結構可有效地改善電極的穩定性。因此，可控黃-殼結構有望改善硫化鈷的電化學性能，在促進大體積變化陽極材料的實際應用中具有重大意義。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學麥立強教授、魏湫龍博士（共同通訊作者）等構筑了一種獨特的由介孔硫化鈷蛋黃和小泡狀碳殼組成的黃-殼微球體(M-CoS@C)，并在Nano Energy上發表了題為“Self-adaptive mesoporous CoS@alveolus-like carbon yolk-shell microsphere for alkali cations storage”的研究論文。介孔CoS蛋黃具有較大的比表面積（46.3 m²·g^-1）以及相互連接的介孔結構，可促進電解液的滲透以及縮短離子擴散路徑。小泡狀碳殼提供了足夠的空隙和高度自適應結構，確保了電極的高穩定性。由于該獨特結構的多功能性，M-CoS@C電極顯示出令人印象深刻的循環穩定性（儲鋰1 A·g^-1 500圈后790 mAh·g^-1，儲鈉0.2 A·g^-1 100圈后532 mAh·g^-1）和優秀的倍率容量（儲鋰20 A·g^-1時330 mAh·g^-1，儲鈉20 A·g^-1時190 mAh·g^-1）。上述獨特的介孔蛋黃-小泡狀碳殼結構和自犧牲的合成方法為加快過渡金屬硫化物在實際中的應用提供了有效的策略。

【圖文簡介】

圖1 M-CoS@C的制備及形貌表征

a) 蛋黃-蛋殼M-CoS@C的制備示意圖；

b,f) 前驅體的SEM和TEM圖；

c,g) 前驅體@SiO₂@RF的SEM和TEM圖；

d,h) M-CoS@SiO₂@C的SEM和TEM圖；

e,i) 蛋黃-蛋殼M-CoS@C的SEM和TEM圖。

圖2 樣品的物理表征

a-c) 前驅體、M-CoS和蛋黃-蛋殼M-CoS@C的XRD譜圖、Raman光譜和N₂吸附等溫線；

d) M-CoS和蛋黃-蛋殼M-CoS@C的孔徑分布曲線；

e) 蛋黃-蛋殼M-CoS@C的STEM和HRTEM；

f-h) 蛋黃-蛋殼M-CoS@C的元素分布。

圖3 蛋黃-蛋殼M-CoS@C作為鋰離子電池中陽極材料的電化學性能

a,b) 0.01-3 V區間0.2 mV·s^-1掃描速率下蛋黃-蛋殼M-CoS@C和M-CoS樣品的循環伏安曲線；

c) 1 A·g^-1電流密度下蛋黃-蛋殼M-CoS@C和M-CoS的循環穩定性；

d) 不同電流倍率下蛋黃-蛋殼M-CoS@C和M-CoS的倍率容量；

e) 蛋黃-蛋殼M-CoS@C在不同電流倍率下相應的充放電曲線。

圖4 蛋黃-蛋殼M-CoS@C作為鈉離子電池中陽極材料的電化學性能

a) 0.01-3 V區間0.2 mV·s^-1掃描速率下蛋黃-蛋殼M-CoS@C樣品的循環伏安曲線；

b) 0.2 A·g^-1電流密度下M-CoS和蛋黃-蛋殼M-CoS@C的循環穩定性；

c) 不同電流倍率下M-CoS和蛋黃-蛋殼M-CoS@C的倍率容量；

d) 蛋黃-蛋殼M-CoS@C在不同電流倍率下相應的充放電曲線。

圖5 循環過程中M-CoS和蛋黃-蛋殼M-CoS@C樣品的形貌變化

a) M-CoS和蛋黃-蛋殼M-CoS@C在第0，10，50次循環(滿電狀態)的SEM圖（標尺：1 μm）及其1 A·g^-1電流密度下相應的循環性能；

b) 充放電過程中形貌變化示意圖。

圖6 長循環后蛋黃-蛋殼M-CoS@C樣品的形貌

a) 1 A·g^-1電流密度50次循環后蛋黃-蛋殼M-CoS@C樣品的TEM圖；

b) 1 A·g^-1電流密度50次循環后蛋黃-蛋殼M-CoS@C樣品的STEM圖；

c-e) 1 A·g^-1電流密度50次循環后蛋黃-蛋殼M-CoS@C樣品的元素分布圖。

【小結】

在該研究中，研究人員首次成功制備了一種獨特的碳殼包覆的介孔CoS蛋黃-蛋殼復合材料（M-CoS@C）。小泡狀碳殼提供了一種高度自適應結構，可有效包覆活性材料。得益于上述獨特的蛋黃-蛋殼結構，M-CoS@C電極能夠實現優越的電化學性能。此外，該自犧牲的造孔方法可擴展到低含硫量金屬硫化物以改善其電化學性能。

文獻鏈接：Li Q, Li L, Owusu K A, et al. Self-adaptive mesoporous CoS@ alveolus-like carbon yolk-shell microsphere for alkali cations storage[J]. Nano Energy, 2017.

本文由材料人編輯部肖杰編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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