中科大Nano Lett.：低成本金屬碳化物納米晶用于高性能鋰硫電池鍵合-電催化位點

【引言】

鋰硫電池具有理論能量密度高和成本低廉的特性，有望成為理想的新一代能量存儲系統。很多學者都致力于通過設計材料納米結構來提高電池的實際效率和循環穩定性。然而，同時提高鋰硫電池的倍率容量和穩定循環性能仍然存在相當的挑戰。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學姚宏斌、俞書宏(通訊作者)等人提出了一種利用金屬碳化物納米顆粒修飾碳納米纖維(MC NPs-CNFs)帶來的雙重效應制備高倍率性能、低遲滯、長循環穩定性鋰硫電池的方法。相關成果以題目“Low Cost Metal Carbide Nanocrystals as Binding and Electrocatalytic Sites for High Performance Li?S Batteries”發表于期刊Nano Lett.上。吸附實驗和計算結果表明，多硫化鋰適度的化學鍵合能力使得其可以在金屬碳化物納米顆粒表面發生吸附和擴散行為，同時金屬碳化物納米顆粒的電催化性能可以加速多硫化物的電化學氧化還原反應。該方法制備的鋰硫電池電極有比容量高、倍率性能優異和循環穩定性優異等特點，為高性能鋰硫電池的研究和發展提供了一定的思路參考。

【圖文導讀】

圖-1. 利用金屬碳化物納米顆粒修飾碳納米纖維提高鋰硫電池性能原理示意圖

圖-2. MC NPs-CNFs的制備流程示意圖和微結構表征

(a) MC NPs-CNFs合成過程示意圖;

(b) W₂C NPs-CNFs, Mo₂C NPs-CNFs, TiC NPs-CNFs 的XRD圖譜;

(c) W₂C NPs-CNFs的TEM圖片(比例尺: 200 nm);

(d) Mo₂C NPs-CNFs的TEM圖片(比例尺: 200 nm);

(e) TiC NPs-CNFs的TEM圖片(比例尺: 200 nm);

(f) W₂C NPs-CNFs的SEM圖片，紅點表示MC NPs (比例尺: 200 nm);

(g) Mo₂C NPs-CNFs的SEM圖片，紅點表示MC NPs(比例尺: 200 nm);

(h) TiC NPs-CNFs的SEM圖片，紅點表示MC NPs(比例尺: 200 nm)

圖-3. 在金屬碳化物表面上不同種類硫化物的吸附測試和模擬模型

(a) 不同樣品粉末在DOL/DME (1:1, v/v)溶液中對Li₂S₆的吸附性能照片;

(b) 不同種類金屬碳化物表面上被吸附的Li₂S₆的ICP-OES分析結果;

(c) W₂C表面上最穩定的Li₂S₆優化后的幾何圖形以及相應的吸附能;

(d) Mo₂C表面上最穩定的Li₂S₆優化后的幾何圖形以及相應的吸附能;

(e) TiC表面上最穩定的Li₂S₆優化后的幾何圖形以及相應的吸附能;

(f) 吸附測試后金屬碳化物W_4f的XPS分析光譜；

(g) 吸附測試后金屬碳化物Mo_3d的XPS分析光譜；

(h) 吸附測試后金屬碳化物Ti_2p的XPS分析光譜

圖-4. 利用PS/MC-CNFs電極和PS/CNFs對比電極的循環伏安法定量分析MC NPs的催化活性

(a) PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNF, PS-TiC-CNFs和PS/CNFs電極的CV特征曲線，電壓區間：1.8-2.6 V; 掃描速率：0.05 mV s^-1；

(b) 不同非對稱鋰硫電池的峰值電流密度對比；

(c) 不同非對稱鋰硫電池的起始電位對比；

(d) 對稱Li₂S₆-Li₂S₆電池的CV曲線，電壓區間： -0.7?0.7 V；掃描速率：50 mV s^-1

圖-5. PS/MC-CNFs和PS/CNFs電極的EIS曲線、充電-放電電壓特征曲線、循環特性和倍率特性對比

(a) PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNFs, PS/TiC-CNFs和PS/CNFs的EIS曲線；

(b) 電流密度為0.2 C時，PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNFs, PS/TiC-CNFs和PS/CNFs的充電-放電電壓特征曲線；

(c) PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNFs, PS/TiC-CNFs和PS/CNFs的循環特性曲線；

(d) PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNFs, PS/TiC-CNFs和PS/CNFs的倍率性能對比

圖-6. PS/MC NPs-CNFs的循環特性曲線以及W₂C NPs-CNFs循環500次后的形貌表征

(a) 電流密度為1.0 C時PS/MC NPs-CNFs的循環性能對比曲線，(前5圈的活化電流密度為0.2 C);

(b) W₂C NPs-CNFs 在500 次循環后的SEM圖片(比例尺: 400 nm)；

(c) W₂C NPs-CNFs 在500 次循環后的TEM圖片(比例尺: 200 nm)

【小結】

本文提出了一種低成本、有效提高鋰硫電池硫化物電極電化學性能的方法。通過在毛狀碳納米纖維上鍵合金屬碳化物納米顆粒，可以增加硫化物的附著能力和電催化活性，從而有效提高了活性物質的利用率，促進了多硫化鋰的氧化還原動力學。該方法為高性能鋰硫電池的研究提供了一定的思路參考。

文獻鏈接：Low Cost Metal Carbide Nanocrystals as Binding and Electrocatalytic Sites for High Performance Li–S Batteries. Nano Lett. (DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04505)

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