西安大略大學孫學良教授Adv. Funct. Mater:鈷摻雜的SnS2用于解決高硫載量的鋰-硫電池存在的問題?

【引言】

鋰-硫電池對環境友好，成本低，理論能量密度高，因此受到了廣泛的關注，被公認為下一代可充電電池。然而，鋰-硫電池的實際應用受阻。鋰-硫電池在充放電過程中，正極產生的多硫化物具有穿梭效應，導致電池的庫倫效率較低，電池容量衰減較快。導電率低的正極材料和放電產物不但降低電池的倍率性能，而且限制電池的硫載量和電池對硫的利用。鋰-硫電池的面積容量要達到4 mA h cm^?2?，就要求硫載量超過 3 mg cm^?2?。然而，大多數的放電容量高、循環壽命長的電池的硫載量低于2 mg cm^?2，難以滿足實際要求。而且，發生在第二個放電平臺的由多硫化物到Li₂S的轉變受到由多硫化物到Li₂S₂?和由Li₂S₂?到Li₂S的轉變的緩慢的動力學的限制，導致電池的放電比較早結束，對硫的利用率低。

【成果簡介】

針對上述問題，西安大略大學的孫學良教授和Tsun-Kong Sham教授（共同通訊作者）帶領研究人員將鈷摻雜的SnS₂?生長在氮摻雜的碳納米管上，并以此作為硫正極的載體材料。該電極的穿梭效應被抑制，循環穩定性得到改善，對硫的利用率得到提高。該電極（硫載量為3 mg cm^?2）的容量達到1337.1 mA h g^?1?，在100次循環（電流密度為1.3 mA cm^?2）后為1004.3 mA h g^?1。另外，該電極的每次循環的容量衰減僅為0.16%（300次循環，電流密度為3.2 mA cm^?2）。這項成果發表在國際著名學術期刊Adv. Funct. Mater上。

【圖文導讀】

圖1.NCNT@Co-SnS2的制備和表征

a.NCNT@Co-SnS₂的制備過程

b–d.NCNT@Co-SnS₂的不同分辨率的SEM圖

e–f.NCNT@Co-SnS₂的不同分辨率的TEM圖

g.NCNT@Co-SnS₂的EDX圖

h–l.NCNT@Co-SnS₂的元素分布圖

圖2. S/NCNT@SnS₂?電極和 S/NCNT@Co-SnS_2?電極的電化學性能

a.CV曲線（第二個循環）

b.充放電曲線

c.循環性能（電流密度為1.3 mA cm^?2）

d.倍率性能（電流密度為1.3-5.1mA cm^?2）

e.不同電流密度對應的充放電曲線

f.過電位（電流密度為1.3-5.1mA cm^?2）

g.電解液為Li₂S_6?的對稱電池的CV曲線

h.長期循環性能（300次循環，電流密度為3.2 mA cm^?2）

圖3.NCNT@Co-SnS₂的催化機理

S/NCNT@SnS₂?電極（a）和 S/NCNT@Co-SnS₂ 電極（b）的XANES圖

圖4.S/NCNT@Co-SnS₂ 電極的充放電過程

【小結】

在這項工作中，S/NCNT@Co-SnS₂電極不僅抑制多硫化物的穿梭效應，而且還促進硫載量高的鋰-硫電池對硫的利用和改善其循環穩定性。它和沒摻雜Co的S/NCNT@SnS₂電極相比，電極容量較高，容量衰減較慢。這項工作為改善鋰-硫電池的電化學性能提供了一種有效的方式。

文獻鏈接：Cobalt‐Doped SnS2 with Dual Active Centers of Synergistic Absorption‐Catalysis Effect for High‐S Loading Li‐S Batteries

（Adv. Funct. Mater.,2018,DOI:10.1002/adfm.201806724?）

本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛編輯整理。