Adv. Energy Mater.鋰硫電池——簡單的一步操作從普魯士藍中獲得氮摻雜石墨烯-碳納米管

駑馬一越縱橫五洲 7年前 (2017-01-01) 7651瀏覽

【引言】

鋰硫電池理論容量（1673 mA h g-1）和能量密度（2600W h kg-1）很高，實際運用中能達到目前鋰離子電池的五倍以上。除此硫還有儲量豐富，價格低，環境友好的優點。盡管研究團隊針對它展開了課題，距離實際運用還有許多問題亟待解決，如硫是個絕緣體，與電極材料間的電化學反應遲鈍；中間多硫化物的產生會在電解液中溶解，在正負極之間穿梭，造成硫的不可逆損失，嚴重影響庫倫效率、循環穩定性、增大了電池內阻；Li2S（1.66g cm-3）與S（2.03g cm-3）密度相差較大，產生的體積膨脹會使電池容量迅速衰減。

【成果簡介】

來自悉尼科技大學清潔能源科學技術學院的汪國秀教授（通訊作者）課題組近日在Adv. Energy Mater.上發表了題為Fabrication of N-doped Graphene–Carbon Nanotube Hybrids from Prussian Blue for Lithium–Sulfur Batteries的文章，報道了在鋰硫電池上的新突破。該團隊成員從普魯士藍這種價格低廉的原材料中，使用一步簡單的操作獲得了Fe3C@N-GE–CNTs復合物。生長界面上石墨烯和CNTs無縫結合，形成3D的微型框架，以容納鋰硫電池中的硫，獲得了1221mA h g-1的可逆容量，5℃下10C放電循環1000次，衰退率分別為0.015%和0.025%. 當有鎳摻雜時則會增加框架上的缺陷和活性位點，把鋰的多硫化物限制在正極中。

【圖文導讀】

圖1.合成及表征示意圖

a.合成Fe3C@N-GE–CNTs復合物的過程示意圖

b.商業化Na4Fe(CN)6·10H2O的XRD衍射圖（Rietveld精修模式）

c.無水的Na4Fe(CN)6

d.Fe3C@N-GE–CNTs復合物

所觀察到和計算出的強度分別由由紅色圓圈和藍色實線表示，底部的紫色線表示擬合殘差，淺綠色的記號表示布拉格位點。

e.Fe3C@N-GE–CNTs復合物的FESEM圖像

f.圖解石墨烯上生長碳納米管

圖2.石墨烯、碳納米管和Fe3C@N-GE–CNTs復合物的表征合成示意圖

a.石墨烯的TEM照片

b.石墨烯的HRTEM照片

c.厚度分布測量

d.碳納米管TEM照片

e.Fe3C@N-GE–CNTs復合物的HRTEM照片，圖中展示了Fe3C、碳納米管和石墨烯之間的鏈接

f.碳納米管在石墨烯上生長的根區部位的TEM照片

g.典型的碳納米管的TEM照片

h.碳納米管的HRTEM照片，插圖是碳納米管壁厚分布

i-l.Fe3C@N-GE–CNTs生長演變原理示意圖

圖3.拉曼光譜、等溫分析、XPS、EDS分析

a.拉曼光譜分析

b.等溫分析（插圖顯示孔徑分布）

c.C 1s的XPS測試圖

d.N 1s的XPS測試圖

e.N摻雜石墨烯的原理示意圖

f.EDS光譜分析無水Na4Fe(CN)6, Fe3C@N-GE–CNTs 復合物, S@Fe3C@N-GE–CNTs 復合物,和 S@RGO–CNTs 復合物

圖4.Fe3C@N-GE–CNTs復合物各元素分布的表征

a.Fe3C@N-GE–CNTs復合物負載S的FESEM照片

b.EDS能譜圖

c.C元素均勻分布

d.S元素的分布

e.鐵元素的分布

圖5.一些元素的XPS分析

a.S@FexS@N-GE–CNTs 復合物復合示意圖

b.XRD衍射

c.S@FexS@N-GE–CNTs 復合物，純凈S以及Fe3C@N-GE–CNTs復合物的拉曼光譜測試圖

d.Fe3C@N-GE–CNTs 和 FexS@N-GE–CNTs 復合物中2P鐵元素的XPS測試圖

e.FexS@N-GE–CNTs復合物中2P硫元素測試圖

f.S@FexS@N-GE–CNTs復合物的TAG曲線，插圖是溫度與時間對應的一階導數

圖6.S@FexS@N-GE–CNTs復合物電化學性能測試圖（1）

a.掃描速度0.1v m-1時S@FexS@N-GE–CNTs復合物前三次的CV曲線

b.0.2C條件下，S@FexS@N-GE–CNTs復合物循環1st, 20th, 40th, 60th, 80th, and 100th的典型的充放電曲線

c.0.2C和0.5C時S@FexS@N-GE–CNTs復合物充放電性能和庫倫效率測試圖

d.0.5, 1, 2, 5, 和 10 C倍率下S@FexS@N-GE–CNTs復合物首次充放電測試圖

圖7.S@FexS@N-GE–CNTs復合物電化學性能測試圖（2）

a.1，2，5C條件下S@FexS@N-GE–CNTs復合物循環性能和庫倫效率測試圖，首次循環是在0.5C

b.10C條件下S@FexS@N-GE–CNTs復合物循環性能和庫倫效率測試圖，首次循環是在0.5C

c.不同庫倫效率下（0.2, 0.5, 2, 4, 5, 和 10 C）S@FexS@N-GE–CNTs復合物循環性能測試圖

圖8.放電過程中的元素檢測

a.S@FexS@N-GE–CNTs復合物和電極在1C條件下放電至2.0V以下循環1000次的拉曼光譜測試

b.放電至2.0V一下電極中Li 1s的XPS檢測

【小結】

本文作者使用簡單的一個步驟從價格低廉的普魯士藍中合成了Fe3C@NGE–CNTs結構，大電流充放電以及長時間循環后，可逆容量仍能保持1221 mA h g?1。增強的電化學性能可以歸因于結合二維石墨烯和一維碳納米管獨特的架構，從而提高電子導電性，防止多硫化物的溶解，并最大限度地減少了穿梭效應的影響，同時三維互連的多孔空間也促進電解質的滲透和擴散。此外，摻氮使碳框架引入了更多缺陷和活性位點，使多硫化物限制在了正極中。這一策略將為開發高性能鋰電池開辟一條新的途徑。

原文鏈接：Fabrication of N-doped Graphene–Carbon Nanotube Hybrids from Prussian Blue for Lithium–Sulfur Batteries（Adv. Energy Mater. 2017,DOI: 10.1002/aenm.201602014）

本文由材料人編輯部新能源學術組 YueZhou 供稿。點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。

材料測試，數據分析，上測試谷！

標簽：
分享到