鄭州大學李保軍教授EEM：基于分子前驅體熱解得到Bi2S3納米棒負載在氧化還原石墨烯薄片用于高效鋰離子存儲

文章簡讀

鋰離子電池（LIBs）負極材料通常包括碳基化合物、金屬硫化物、金屬氧化物等。但由于硫元素的電負性小于氧元素的電負性，因此金屬硫化物的比容量一般高于氧化物。Bi₂S₃因其獨特的層狀結構和理論比容量（625 mAh g^-1，4250 mAh cm^-3）被認為是LIBs理想的負極材料。但在實際的鋰離子嵌入過程中，會發生兩個反應（Bi₂S₃?+ 6Li → 3Li₂S + 2Bi、Bi + 3Li → Li₃Bi）。而這兩個反應都會使材料發生不同程度的體積膨脹。因此在反復放/充過程中由于Bi₂S₃體積膨脹的固有缺陷，造成負極側容量衰減，最終導致循環壽命減短，倍率性能變差，嚴重制約了Bi₂S₃作為負極材料在LIBs中的應用。

而通常有效的策略是將Bi₂S₃設計為納米/微米結構，提供更大的表面積以及縮短Li⁺離子擴散路徑，以緩解鋰離子嵌入Bi₂S₃引起的體積變化大的問題。而另一種策略是將Bi₂S₃負載到導電碳基體上，通過二者的協同作用提高鋰的存儲性能和結構穩定性。在本文中我們結合以上兩種策略即將納米Bi₂S₃負載在導電碳基體上，從而實現Bi₂S₃作為負極材料在LIBs中的應用。

Bi₂S₃的制備方法有球磨，水熱以及溶劑法等，每種方法都可制備獨特形貌的Bi₂S₃。而分子前驅體熱解法可以通過改變實驗參數，從而精確調控目標產物的晶相、組成和形貌。利用有機分子配體和金屬鉍鹽合成分子前驅體，使金屬原子高度分散。而有機配體的快速熱解有利于形成表面能較高的界面，暴露更多的活性位點，提高鋰離子的存儲性能；同時由于石墨烯表面親水性差，一般與金屬硫化物不相容，而有機配體可以使金屬鉍鹽與石墨烯更容易接觸，提高了材料的導電性。在熱解過程中，有機配體的分解產生豐富的孔隙結構，有利于Li⁺離子的遷移。而該方法已應用于硫化鈷的制備，對性能的提高有顯著作用。因此采用此法實現納米棒狀Bi₂S₃負載在還原氧化石墨烯。

而合成的負載納米棒狀Bi₂S₃的還原氧化石墨烯，由于Bi₂S₃與還原氧化石墨烯界面的電荷極化作用促進了電荷轉移，同時由于納米棒狀以及少量空心納米棒狀結構的Bi₂S₃的存在縮短了鋰離子擴散路徑，增加了電極與電解質之間的接觸面積，因此具有優異的動力學性能。另外還原氧化石墨烯具有表面積大和導電性好等特點，提高電子遷移速率，有效縮短電子和鋰離子的遷移路徑。因此制備的BSG-400材料表現出良好的鋰存儲能力。總的來說，這項工作為金屬化合物/還原氧化石墨烯復合材料的發展提供了一個通用的策略，提高與電池比容量的相關的電化學性能。