Nano Energy：殼結構鋅鈷雙金屬硫化物@氮摻雜碳用于增強鋰離子存儲

luna1 4年前 (2019-08-12) 4704瀏覽

【背景】

由于高容量，低成本和環境友好性，過渡金屬硫化物作為鋰離子電池（LIB）的潛在陽極材料已引起越來越多的關注。然而，由于大的體積變化和緩慢的動力學，它們的實際應用受到較差的循環穩定性和速率能力的阻礙。這里，報道了具有增強的鋰儲存的蛋黃-殼結構的鋅- 鈷二元金屬硫化物@N-摻雜的碳復合物（Zn-Co-S@NC）。在這種復合材料中，獨特的多孔殼結構縮短了Li?+/e?-擴散距離，并提供足夠的空隙空間以適應Li?+插入/提取過程的體積變化。N摻雜碳的存在不僅增強了電子轉移動力學，而且還改善了結構穩定性。此外，雙金屬硫化物增強了電化學反應，從而實現了優異的鋰儲存并減少了副產物的形成。將所得的Zn-Co-S@NC陽極展現顯著增強的循環穩定性（1000mA?g?1 300次循環之后為667.7 mAh g?1）和倍率性能（5000 mA?g?1時為332.2 mAh g?1）。

【成果簡介】

近期，廣東工業大學魏秀娟，林展和武漢理工大學麥立強共同通訊在Nano Energy期刊上發表題為“Yolk-shell-structured zinc-cobalt binary metal sulfide @ N-doped carbon for
enhanced lithium-ion storage”的研究論文。研究者采用MOFs參與策略設計并制造了具有蛋黃殼結構的CoS/Zn0.754Co0.246S @ N-摻雜碳復合材料(Zn-Co-S@NC)。這些獨特的蛋黃殼結構的Zn-Co-S@N-C多面體由平均尺寸為90nm的Zn-Co-S核和厚度為15nm的N-摻雜碳殼組成。在納米結構中，Zn-Co-S核具有高的載流子能力，所制備的孔隙空間可以緩解較大的體積變化。此外，N摻雜的碳殼層可以提高整體電導率。利用上述優點，制備的蛋黃殼結構Zn-Co-S@N-C多面體具有較高的鋰存儲容量、優異的速率性能和長期的循環穩定性。

【圖文導讀】

圖1. Zn-Co-S@N-C合成示意圖

(a) Zn/Co-ZIF-67 和 Co-ZIF-67 前驅體的XRD圖；

(b) Zn/Co-ZIF-67@P和Co-ZIF-67@PDA的XRD圖；

(c) Zn-Co-S@N-C和CoS@N-C 的XRD圖；

(d) Zn-Co-S@N-C和CoS@N-C的拉曼光譜；

(e，f) Zn-Co-S@N-C和CoS@N-C的N2吸附脫吸附曲線。

圖3. Zn-Co-S@N-C 的XPS分析

(a) 全譜; (b) Co 2p譜圖; (c) Zn 2p譜圖, (d) S 2p譜圖, (e) N 1s譜圖, and (f) C 1s譜圖。

圖4. 電鏡表征

(a-c) Zn/Co-ZIF-67, Zn/Co-ZIF-67@PDA, Zn-Co-S@N-C的SEM圖;

(d，e) Zn-Co-S@N-C 的TEM圖；

(f) Zn-Co-S@N-C 的HRTEM晶格圖；

(g) Zn-Co-S@N-C 的EDS元素分布圖。

圖5. 制備的Zn-Co-S@N-C、CoS@N-C和CoS/N-C三種鋰離子電池電極的電化學性能

(a) 在200 mA g-1下Zn-Co-S@N-C電極的充放電曲線；

(b) 在200 mA g-1下Zn-Co-S@N-C,CoS@N-C和CoS/N-C電極循環性能跟；

(c) 在1000 mA g-1下Zn-Co-S@N-C電極的長期的循環穩定性；

(d) 在不同的電流密度下Zn-Co-S@N-C電極的充放電曲線；

(e) 電流密度從200 mA g-1到1000 mA g-1，Zn-Co-S@N-C,CoS@N-C和CoS/N-C電極五個循環之后的倍率性能；

(f) Zn-Co-S@N-C, CoS@N-C and CoS/N-C電極的阻抗譜圖。

圖6. 反應能評估

(a，b) ZnS和CoS陽極的鋰化和脫硫反應的反應能(Er)。實線表示主要反應，短虛線表示放電和充電過程中的副反應或副產品。

【結論】

綜上所述，采用簡單的MOF參與策略成功制備了具有蛋黃殼結構的CoS/Zn0.754Co0.246S@N摻雜碳復合材料。作為鋰電池的陽極材料，它具有良好的速率容量、高庫侖效率和長期的循環穩定性。特別是Zn-Co-S@N-C復合材料在經過300次循環后，在電流密度為1000 mA g-1的情況下，其可逆容量為667.7 mAh g-1，具有良好的鋰存儲性能，在高性能儲能器件中具有廣闊的應用前景。Zn-CoS@N-C復合材料優異的電化學性能歸功于其獨特的多孔蛋黃殼結構、N摻雜碳基體以及多種金屬的協同作用，實驗和理論分析均證實了這一點。我們的工作不僅為鋰鋰電池開發了一種極具發展前景的陽極材料，而且為設計其他用于高效儲能的多組分金屬硫系陽極材料開辟了一條新的途徑。

文獻鏈接

Yolk-shell-structured zinc-cobalt binary metal sulfide @ N-doped carbon for enhanced lithium-ion storage

本文由材料人編輯luna編譯供稿，材料牛整理編輯。

投稿郵箱tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加微信cailiaorenvip

 

分享到