南開大學&清華大學ACS Nano:用于抑制多硫化物“穿梭效應”的 氮化銦改性隔膜

微觀世界 5年前 (2018-09-21) 14273瀏覽

【引言】

鋰-硫(Li-S)電池由于具有極高的理論比容量(1675 mAhg-1)，并且硫含量豐富，價格低廉而備受關注。然而，多硫化物的“穿梭效應”及其在電化學過程中的動力學轉化緩慢嚴重降低了活性硫的利用率，從而導致容量的快速衰減。已經提出了各種策略致力于克服穿梭效應以改善Li-S電池的電化學性能，例如硫正極的設計，電解質的優化和隔膜改性。其中，隔膜改性是一種有前途的策略，可以阻止多硫化物溶解到電解液中，并進一步提高正極中活性硫正極的利用率。已經采用各種功能材料來改性隔膜。其中，納米結構碳材料由于其大的比表面積可以對多硫化物起著物理吸附，同時其良好的導電性可以提高硫正極的利用率而被廣泛地用于鋰硫電池。然而，非極性碳材料的單純物理吸附作用仍不能有效抑制在長循環過程中多硫化物的擴散，尤其是對高硫負載量的電池而言。因此，已提出采用各種金屬氧化物/硫化物來捕獲多硫化鋰，從而抑制“穿梭效應”。盡管如此，這些極性的金屬化合物差的導電性影響了充電/放電過程中的快速的電子傳輸，導致循環倍率性能差。因此，開發合適的材料來改性隔膜對于實現長循環壽命的鋰硫電池來說是十分重要的。

【成果簡介】

近日，南開大學牛志強研究員、王一菁研究員聯合清華大學張強教授（共同通訊作者）通過隔膜改性將氮化銦（InN）納米線引入到Li-S電池中。InN的銦陽離子和富電子氮原子通過強的化學鍵合作用捕獲生成的多硫化物；與此同時，InN表面的快速電子轉移提高了多硫化物的動力學轉化過程。雙功能的InN改性隔膜的引入有效地抑制鋰硫電池中的“穿梭效應”。因此，具有InN改性隔膜的Li-S電池表現出優異的倍率性能和循環性能，在1000次循環后每個循環的容量衰減僅有0.015％，該工作提供了對高穩定性Li-S電池的新見解。相關研究成果以“Enhanced Electrochemical Kinetics and Polysulfide Traps of Indium Nitride for Highly Stable Lithium?Sulfur Batteries”為題發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖一InN納米線的結構表征和物相表征

（a）XRD譜圖。

（b，c）SEM圖像。

（d，e）InN納米線的TEM圖像。

（f）InN納米線的選定區域電子衍射圖。

圖二?InN改性隔膜和原始隔膜的Li-S電池的電化學性能

（a）?InN改性隔膜和原始隔膜的Li-S電池的CV曲線。

（b）電池的倍率性能。

（c）電池在不同電流密度下的極化電勢。

（d）1000次循環后，Li-S電池在1.0 C電流密度下的長循環性能。

（e）InN改性隔膜的鋰硫電池與其他報道的復合材料的電化學性能比較。

圖三InN和多硫化物在充電/放電過程中的相互作用機理

（a）??在1000次循環后放電狀態為1V的InN改性隔膜的XPS光譜。

（b，c）InN改性隔膜中循環前后In和N的XPS精細譜。

（d）InN和多硫化物（Li2S4）之間鍵合能的頂視圖。

圖四InN對多硫化物催化轉換的性能

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（a，b）具有InN和Super P電極的對稱電池的CV曲線（a）和EIS曲線（b）。

（c）Li-S電池與InN改性和原始隔膜的初始脫鋰的Tafel圖。

（d）1000次充放電循環后靠近InN改性隔膜（左）和原始隔膜（右）一側的Li負極的SEM圖。

（e）多硫化物在InN表面上的轉化反應示意圖。

圖五Li-S電池多硫化物中間體的可逆轉化

?

（a）Li-S電池的初始恒電充放電曲線（a：2.38?V; b：2.10?V; c：1.70?V; d：2.30?V; e：2.80?V）。

（b-f）不同充電/放電狀態下的InN改性隔膜表面的SEM圖像。

（g）在各種充電/放電狀態下InN改性隔膜的拉曼光譜圖。

【小結】

本文通過InN納米線改性隔膜抑制“穿梭效應”來提高鋰硫電池的電化學性能。InN中?In陽離子與多硫化物陰離子相互作用，與此同時N原子通過強的化學鍵合作用與鋰離子結合，從而提高了對多硫化物的固定作用。此外，InN納米線表面的快速電子轉移加速了多硫化物的轉化，有利于加快化學動力學過程。因此，Li-S電池中的InN改性的隔膜一方面能夠捕獲生成的多硫化鋰，另一方面可以催化中間產物的快速動力學轉化過程，很好地限制穿梭效應的發生，在提高鋰硫電池的循環穩定性能起著重要作用。因此，Li-S電池表現出了1430.3 mAh g-1的高可逆容量和良好的循環穩定性，1000次循環后容量保持率為73.4％。更重要的是，除了良好的循環穩定性能以外，它還實現了5.2 mAh cm-2的大面積容量。毫無疑問，這種具有雙功能的金屬氮化物改性隔膜的設計為實現高穩定性的Li-S電池提供了新的見解。

文獻鏈接：“Enhanced Electrochemical Kinetics and Polysulfide Traps of Indium Nitride for Highly Stable Lithium?Sulfur Batteries”(ACS Nano, 2018,DOI.10.1021/acsnano.8b05466)

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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