Adv. Energy Mater.：導電分子框架制備Li2S/N,P摻雜鋰硫電池碳陰極

【引言】

鋰離子電池(LIBs)已經被廣泛用作便攜式電子設備的動力電池并且有望成為電動汽車和歇性式能源系統固定儲能的主要解決方案，發展高能量密度和長循環壽命的能量存儲設備一直是非常重要的，當前商業化中使用的有金屬氧化物/磷酸鹽陰極，比如LiCoO₂、LiFeO_4、LiMnPO₄等電極材料比較接近他們的理論能量密度。如鋰硫(Li-S)電池和鋰空氣電池這種新系統已經引起了注意，因為他們有著超高理論能量密度，然而Li-S 電池與金屬鋰陽極仍面臨挑戰，因為存在安全問題：鋰枝晶的增長能穿透隔膜造成電池短路。為避免使用金屬鋰陽極，選擇鋰硫化物(Li₂S) 作為陰極，Li₂S是鋰離子電池陰極材料中最有前途的一個，因為其有著很高的理論電容和不含鋰陽極材料的兼容性；然而，較低的導電性和電化學反應導致其有著較低的初始容量和容量衰減嚴重等情況。

【成果簡介】

近日，來自德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華、浙江工業大學的張文魁教授（共同通訊作者）等人團隊在Advanced Energy Materials上發表題為“A Conductive Molecular Framework Derived Li2S/N,Pcodoped Carbon Cathode for Advanced Lithium–Sulfur Batteries”的文章，文章中介紹了從摻雜了植酸的聚苯胺水凝膠中制備氮和磷共摻雜的碳框架（N,P-C）支撐Li₂S納米顆粒，作為鋰硫電池中無粘結劑陰極材料。Li₂S / N,P-C復合電極提供了一個穩定的容量，可達700mA h g^?1，在0.1 C條件下循環100圈平均庫侖效率保持99.4%，在0.5 C條件下面積電容高達2 mA h cm^?2。

【圖文導讀】

圖1?Li₂S/N,P-C復合物合成設計示意圖

無粘結劑的Li₂S/N,P-C電極是通過刮涂集流體上的Li₂SO₄/C/植酸摻雜聚苯胺水凝膠，隨后在900℃ Ar氣氛下煅燒。植酸摻雜的聚苯胺轉換成多孔N,P-C網絡結構，同時Li₂SO₄通過碳的減少形成Li₂S納米顆粒。已經形成的Li₂S納米顆粒被三維互相交聯的網絡限制在碳殼層內，最后形成一種嵌入N、P共摻雜碳網絡的Li₂S納米顆粒的復合物。

圖2?Li₂S/N,P-C復合物的表征

a) Li₂S/N,P-C和N,P-C的XRD圖譜；

b) Li₂S/N,P-C和N,P-C的熱重曲線；

c,d) Li₂S/N,P-C復合物的SEM圖像；

e,f) Li₂S/N,P-C復合物的TEM圖像；

g) C,N,P和S等元素的元素mapping圖。

圖3?Li₂S/N,P-C復合物XPS表征

a) Li₂S/N,P-C和N,P-C的P 2p峰；

b) Li₂S/N,P-C和Li₂S/N-C的S 2p峰；

c) Li₂S/N,P-C和Li₂S/N-C的Li 1s峰；

d) Li₂S/N,P-C和Li₂S/N-C的C 1s峰。

圖4?Li₂S/N,P-C復合物電極性能

a) Li₂S/N,P-C的充放電數據；

b)在0.1C條件下，Li₂S/N,P-C的充放電數據；

c)在1C條件下，Li₂S/N,P-C的充放電數據；

d,e) Li₂S/N,P-C電極和Li₂S/N-C電極在0.1C、1C條件下的循環性能；

f) Li₂S/N,P-C電極和Li₂S/N-C電極在2mg cm^-2和5mg cm^-2負載下的循環性能。

圖5 Li₂S/N,P-C復合物電極性能

a) Li₂S/N,P-C電極和Li₂S/N-C電極的奈奎斯特圖；

b) Li₂S/N,P-C電極和Li₂S/N-C電極的瓦爾堡圖。

【小結】

文章提出了一種合成氮和磷共摻雜的碳網絡以支撐Li₂S納米顆粒作為高性能無粘結劑 Li-S電池的陰極材料。植酸摻雜聚苯胺水凝膠的導電分子框架作為提供三維結構和氮、磷來源的前驅體，多孔三維架構可以促進離子和電子在每一個Li₂S納米顆粒的快速傳輸，提高了活性材料的利用率和倍率性能。多硫化合物可以通過S、P間的強相互作用有效地被N,P-C捕獲，此外P摻雜碳框架在提高電化學反應動力學中扮演一個重要的角色。N,P-C不僅確保催化氧化還原反應的硫物種能大大減少極化 而且通過形成Li_xPS_y可以提高Li₂S離子電導率。因此Li₂S / N,P-C納米復合材料電極可以顯著提高容量和循環穩定性。這種基于制造Li₂S陰極無粘結劑和無毒性溶劑的制備策略代表了一種下一代具有較高的能量密度電池的簡單和可擴展的制備方法。

文獻鏈接：A Conductive Molecular Framework Derived Li₂S/N,P-Codoped Carbon Cathode for Advanced Lithium–Sulfur Batteries.( Adv. Energy Mater., 2017, DOI:10.1002/aenm.201602876)

本文由材料人新能源組Jane915126供稿，材料牛整理編輯。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

材料測試，數據分析，上測試谷！