Adv. Mater：使用碳化硼納米線的雙功能陰極基板制備的長壽命鋰硫電池

【引言】

鋰-硫(Li-S)電池具有極高的理論比容量(1675 mAhg^-1)，且硫無毒，價格低廉，被廣泛地認為是未來大規模儲能領域應用發展的方向。然而，鋰硫電池的商業化面臨著許多挑戰。例如，硫及其放電產物電導率低使得活性材料利用率低和動力學反應變慢。與此同時，作為氧化還原中間體形成的可溶性多硫化物容易溶解在液體電解質中并且不可逆地從陰極擴散到陽極區域，使得電池循環壽命變差。所以，優質硫正極的開發對于實現高能量密度和長循環壽命的鋰硫電池具有重要意義。硫正極設計中最常用的方法之一是使用碳基材料作為捕獲多硫化物的物理屏障。然而，非極性碳主體的純物理限制不足以保證在長時間內抑制多硫化物的擴散，尤其是對高硫負載量的電池而言。通過引入了功能性極性基底作為硫宿主這一策略，通過與多硫化物形成化學鍵合以吸附多硫化物或者是對多硫化物起催化作用加快多硫化物轉換的氧化還原動力學過程，這大大降低了多硫化物在電解液的溶解性。然而，它們中的大多數具有硫負載量低的嚴重缺點。因此，必須采用新的策略來探索輕質高效材料，提高Li-S電池的電化學性能和能量密度。

【成果簡介】

近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校Arumugam Manthiram教授團隊通過催化輔助工藝在碳納米纖維上原位生長碳化硼納米線作為鋰硫電池的正極基底。通過實驗數據和第一性原理計算表明，B₄C納米線對多硫化物有著很強的吸附作用。同時，B₄C的催化作用也加速了多硫化物轉化的氧化還原動力學過程，有助于提高倍率性能。結果，使用B4C@CNF作為硫的正極基底的電池具有顯著的容量保持率（500次循環后，容量保持率為80%）以及優異的倍率性能（在4C下循環穩定）。此外，B₄C@ CNF基板使陰極能夠同時獲得高硫含量（70wt％）和硫負載量（10.3mg cm^-2），面積容量為9mAh cm^-2。相關研究成果以“Long-Life Lithium–Sulfur Batteries with a Bifunctional?Cathode Substrate Configured with Boron Carbide Nanowires”為題發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖一?B₄C@CNF的形貌和成分表征

（a）通過催化劑輔助合成B₄C@CNF的結構示意圖

（b，c）合成后的B₄C@CNF的SEM圖像

（d，f）相應的EDX元素映射圖像

（g）CNF和B₄C@CNF的XRD圖譜

（h，i）等溫吸附曲線和孔徑分布圖

圖二?B₄C@CNF的結構表征

（a）B₄C@CNF的TEM圖像

（b）對應于（a）的EDX元素映射圖像

（c，d）SAED和HRTEM

（e）B₄C納米線的相應模型

圖三?B₄C@CNF的多硫化物吸附性能

（a）多硫化物吸附測試的數碼照片

（b，c）結合能和c）關于不同B₄C@CNF面的S原子的Bader電荷

（c，d）當Li₂S₄吸附在B₄C的不同晶面時，其結構和電子電荷轉移

圖四 電化學性能表征

（a，e）紐扣電池的電化學性能：CV曲線；倍率性能；能量效率；長循環穩定性和在高硫負載量下的循環穩定性

（f，h）軟包電池的電化學性能：f）EIS圖；g）每個陰極硫質量為40mg的循環性能，和h）每個陰極硫質量為200mg的B₄C @ CNF的放電容量

【小結】

總之，本文通過可拓展的制造工藝展示了一種獨特的獨立式B4C @ CNF正極基底。雙功能B₄C納米線為多硫化物提供有效的催化位點，不僅增強了多硫化物吸附能力，而且加速了在循環期間多硫化物轉化的氧化還原動力學過程。因此，用B₄C @ CNF正極基底制造的電池的循環穩定性和倍率性能得到顯著改善。此外，受益于B₄C @ CNF結構的優越性，在紐扣電池中成功地實現了高硫含量和高硫負載量。此外，用B₄C @ CNF基板制造的Li-S軟包電池具有200mg的高硫負載量，并在50次循環后提供125mAh的高放電容量。這項工作為具有高能量密度的實用Li-S電池的開發提供了新的視角。

文獻鏈接：“Long-Life Lithium–Sulfur Batteries with a Bifunctional?Cathode Substrate Configured with Boron Carbide Nanowires”(Adv.Mater.?DOI: 10.1002/adma.201804149)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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