湖南大學二維材料課題組朱建iScience：共價硒嵌入多級多孔碳納米纖維正極助力超高面容量鋰-硒電池

【引言】

由于硒和硫相似的物理化學特性，鋰-硒電池具有和鋰-硫電池相似的理論體積比容量（3253 Ah L^-1）。從理論上來說，硒的金屬性強于硫，硒正極相較于硫正極具有更高的電子電導率（10^-3 S m^-1）、更高的活性物質利用率和更好的倍率性能。因此鋰-硒電池被認為是最有可能替代鋰-硫電池的一種儲能器件。然而，鋰-硒電池也會遭受嚴重的 “穿梭效應”，從而造成鋰-硒電池快速的容量衰減。目前，多孔碳球、碳納米管和碳納米纖維等碳載體常被用來克服這一挑戰。但是，當前的研究主要局限于低電極負載量和低面容量電極的研究，遠不能滿足未來產業化應用的需求。

【成果簡介】

鑒于此，近期湖南大學二維材料課題組在線報道了一種共價硒嵌入多級多孔氮摻雜碳納米纖維（CSe@HNCNFs）作為柔性、自支撐、無粘結劑鋰-硒電池的正極。多級多孔結構（微/介/大孔和納米通道）、高含量的氮摻雜和強健的共價鍵（Se-O和Se-C）不僅可以促進離子和電子在整個電極結構中的快速傳輸，還可以有效的錨定多硒化合物并為其提供充足的膨脹空間。當負載量為1.52 mg cm^-2、電流密度為40.61 mA cm^-2的時候，所得鋰-硒電池可以保持412 mAh g^-1的高比容量（比容量以硒的質量來計算）。另外，當負載量達到37.31 mg cm^-2、電流密度為0.83 mA cm^-2時，此鋰-硒電池提供了高達7.30 mAh cm^-2的面容量。這項工作為推進鋰-硒電池的產業化邁出了重要的一步。該成果以題為“Covalent Selenium Embedded in Hierarchical Carbon Nanofibers for Ultra-High Areal Capacity Li-Se Batteries”最近發表在國際著名Cell Press出版社旗下首個綜合開放獲取期刊iScience上。湖南大學碩士生周劍為第一作者，朱建副教授為通訊作者。

【圖文導讀】

Figure 1. HNCNFs和CSe@HNCNFs的形貌表征

（a）柔性和自支撐式CSe@HNCNFs電極的數碼照片

（b和c）CSe@HNCNFs的（b）低倍率和（c）高倍率SEM圖像

（d）CSe@HNCNFs的低倍率和（e）高倍率TEM圖像

（f）CSe@HNCNFs的高分辨TEM和選取電子衍射圖像

（g）CSe@HNCNFs的TEM圖像和相應的元素mapping圖（碳（h），氧（i），氮（j），硒（k））

Figure 2. HNCNFs和CSe@HNCNFs的結構表征

（a）純Se、HNCNFs和CSe@HNCNFs的XRD圖和（b）拉曼光譜圖

（c）CSe@HNCNFs的XPS光譜總圖。

（d）CSe@HNCNFs的C 1s的高分辨率XPS光譜圖。

（e）純Se和CSe@HNCNFs的Se 3d高分辨率XPS光譜圖。

（f）CSe@HNCNFs的N 1s的高分辨率XPS光譜圖。

（g）CSe@HNCNFs和HNCNFs材料的TG曲線。

（h）N₂吸附-解吸等溫曲線和（i）HNCNFs和CSe@HNCNFs的孔徑分布曲線

Figure 3. CSe@HNCNFs的循環性能研究

（a）0.1 mV s^-1掃速下的循環伏安曲線圖

（b）CSe@HNCNFs電極在質量負載量為1.87 mg cm^-2，1 C電流密度下的恒電流充放電曲線

（c）CSe@HNCNFs電極在1 C和10 C電流密度的循環性能和庫侖效率圖

（d）CSe@HNCNFs電極在不同負載量（1.87，3.99，5.27，7.00和14.04 mg cm^-2），1 C電流密度下的循環性能和庫侖效率圖

Figure 4.不同負載量CSe@HNCNFs的倍率性能研究

（a）CSe@HNCNFs電極在1.52、3.63、5.46、7.18、10.64和14.37 mg cm^-2的負載量，1 C電流密度下的充放電曲線

（b）1.52 mg cm^-2和（c）27.12 mg cm^-2的負載量下，CSe@HNCNFs的充放電曲線

（d）CSe@HNCNFs電極在不同負載量、不同電流密度下的倍率性能

（e）當負載量為27.12 mg cm^-2時，CSe@HNCNFs電極從0.1到2 C電流密度下的倍率性能

Figure 5.超高負載量CSe@HNCNFs的倍率性能研究

（a）37.31 mg cm^-2負載量的CSe@HNCNFs電極在不同電流密度下的恒電流充放電曲線，以及（b）倍率性能。

Figure 6. CSe@HNCNFs的面容量分析

?(a）不同電流密度下面容量與負載量（1.52-27.12 mg cm^-2）之間的關系

（b）不同負載量下的面容量隨電流密度變化的比較

（c）CSe@HNCNFs電極與其他報道的硒基正極之間的面容量比較

【總結】

總之，該工作提出了一種獨特的共價硒嵌入多級多孔的氮摻雜碳納米纖維用于高性能鋰-硒電池。該Li-Se電池在1 C的電流密度、1.87 mg cm^-2的負載量下循環2500次，還保持著762 mAh g^-1的比容量（幾乎沒有容量衰減）。此外，該Li-Se電池在37.31 mg cm^-2的超高質量負載量下可以獲得7.30 mAh cm^-2的超高面容量（在所有鋰-硒電池中面容量最高）。這種超工業級的質量負載量和面容量為鋰-硒電池進一步產業化研究提供了重要參考意義。

文獻連接：Covalent Selenium Embedded in Hierarchical Carbon Nanofibers for Ultra-High Areal Capacity Li-Se Batteries. iScience, 2020, 23, 100919, DOI: 10.1016/j.isci.2020.100919.