清華大學張強&北理工黃佳琦AM：用于穩定鋰硫電池中調控多硫化物的雙功能鈣鈦礦型促進劑

編輯部實習生 6年前 (2017-12-11) 5902瀏覽

【引言】

鋰硫電池由于其較高的能量密度，被認為是最有前景的下一代的可充電電池之一。它的高能量密度來自于一種多電子的化學轉變，涉及一系列硫化物，例如硫、鋰的多硫化物（Li2Sx,2≤x≤8,記作LiPSs）。然而，鋰的多硫化物的穿梭效應和硫化鋰隨機沉積的緩慢動力學極大地降低了鋰硫電池的容量、倍率性能和循環壽命。

【成果展示】

近日，清華大學化工系張強副教授和北京理工大學的黃佳琦研究員課題組在Advanced Materials發表了題為“A Bifunctional Perovskite Promoter for Polysulfide Regulation toward Stable Lithium–Sulfur Batteries”的研究論文，提出了一種雙功能鈣鈦礦結構的納米顆粒Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3?δ（記作PrNPs），可以作為促進劑來固定LiPSs、促進LiPS的轉變并調節Li2S的沉積。

【圖文導讀】

圖1 ?鈣鈦礦型促進劑在抑制LiPS穿梭和調控Li2S中的角色

（a）LiPS擴散出正極，在電池的兩電極間發生穿梭效應；

（b）LiPS的固定和Li2S的形核。PrNP促進劑有效抑制了LiPS的穿梭，促進其氧化還原反應，并確保了Li2S的均勻沉積；

（c）促進劑PrNP的晶體結構。

圖2? PrNP的結構

（a）XRD圖像；（b）SEM圖像（插圖為顆粒尺寸分布）；（c）TEM圖像；（d）HRTEM圖像（插圖為傅立葉變換晶格及其晶格間隔輪廓）

圖3 ?PrNP促進劑下LiPS的吸收和促進

（a）Li2S6和PrNP結合在一起的幾何圖形；

（b）Li2S6和PrNP，Li2S6和CNT間結合能的對比；

（c）6h后Li2S6的靜態吸收；

（d）PrNP吸收Li2S6溶液前后Co 2p,O 1s和Sr 3d區域的精制XPS圖譜；

（e）CP（Carbon paper）或PrNP@CP作電極，含有/不含Li2S6時的電池循環伏安曲線；

（f）恒電位放電曲線。

圖4? S/CNT/PrNP做正極的鋰硫電池的電化學性能

（a）鋰硫電池的倍率性能；

（b）電流密度為0.2C的恒流充放電曲線；

（c）電流密度為0.5C的循環性能；

（d）0.2C電流密度下，硫負載量分別為2.5，3.8，5.2mg cm-2時的鋰硫電池的穩定性。

【小結】

研究發現Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3?δ鈣鈦礦型納米顆粒（記作PrNPs）在鋰硫電池中可作為促進劑來固定LiPSs并引導Li2S的沉積。首先，在PrNPs中的氧空位增加了金屬反應性來固定LiPSs，并且PrNP上的親鋰位（O）和親硫位（Sr）的存在也有助于形成Li-O和Sr-S鍵來固定LiPSs。其次，PrNP的高催化性質促進了氧化還原反應動力學。最后，和內在LiPS有著吸引作用的PrNP也可作為Li2S沉積的形核位點并引導它的有序蔓延。因此，這種雙功能LiPS促進劑能使鋰硫電池產生高倍率性能和超低的容量衰減。通過一種全新的鈣鈦礦型促進劑來固定LiPSs、促進LiPS轉變和調控Li2S沉積，這一策略也可應用于其他基于氧化還原反應的能量轉換和存儲設備中。

文獻鏈接：A Bifunctional Perovskite Promoter for Polysulfide Regulation toward Stable Lithium–Sulfur Batteries（Adv.Mater,2017,DOI: 10.1002/adma.201705219）

本文由材料人編輯部曾祥天編輯，黃超審核。

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