【十大外围投注平台】金属所制备出高性能锂硫电池电极材料

本文摘要:硫作为负极材料,具有较高的理论比容量(比现有市售负极材料高一个数量级),还具有成本低、储量丰富、环境友好的优点。

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硫作为负极材料,具有较高的理论比容量(比现有市售负极材料高一个数量级),还具有成本低、储量丰富、环境友好的优点。因此,锂硫电池被认为是电化学储能领域最有前途的新一代电池之一。但南北锂硫电池在实际应用中仍有许多问题有待解决,如硫和静电产物硫化锂的电导率较低,充放电过程中可溶多硫化物在正负电极间的来回作用,不会显著影响电池的倍率性能和循环寿命。

为了解决这些问题,我们可以引入客体材料(如碳材料、金属氧化物和氮化物等。)引入到电极材料中,形成多组分填充电极,利用客体材料的高导电性和多硫化物的导电性和耐受性来诱导往返效应,从而提高锂硫电池的性能。近日,中国科学院冶金研究所沈阳材料科学国家实验室先进装备碳材料研究部储能材料与器件课题组积极开展了一系列高性能多组分填充硫电极材料的研究工作。

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首先,他们利用密度格林函数理论进行计算,以氮掺杂石墨烯为模型,发现吡啶氮簇需要在不同的氮掺杂形式下强烈传导多硫化物分子,并明确提出了组分与多硫化物相互作用的能量区分关系。在此基础上,用氨水高温水解石墨烯,得到电化学性能优异、氮含量低的氮掺杂石墨烯。为了进一步提高对多硫化物的允许效应,将碳纳米管对多硫化物的物理允许效应与有机硫聚合物中碳硫键对多硫化物的化学允许效应结合起来,将有机硫聚合物负载到以阳极氧化铝为模板合成的碳纳米管中,制备出有机硫聚合物/碳纳米管复合材料(图1)。该复合材料物理地容纳许多硫化物通过碳纳米管的内腔沉淀,同时利用有机硫聚合物中的碳-硫键以相同的化学模式产生硫,这协同地诱导多硫化物的来回效应。

但是,对于非极性碳材料,即使通过掺杂等处理,也不能进一步提高极性多硫化物的有效电导率,因此很难诱发来回效应。理论计算结果表明,极性氧化物对多硫化物的化学导电效应和诱导来回效应明显高于碳材料。但绝缘氧化物不会阻碍电子和锂离子的传输,降低硫的利用率和倍率性能。

如何综合两者的特点,找到低电导率的极性导电材料,成为研究的核心。因此,研究人员明确提出了用化学锚定多硫化物构建碳基复合电极,将碳纳米材料与具有化学锚定多硫化物功能的高导电金属氮化物结合,利用一步水热法在三维石墨烯基体上阻抗氮化钒纳米带,利用多硫化锂作为活性物质填充石墨烯和氮化钒复合集流体的三维孔隙的研究思路(如图2右图所示)。该填充阴极结构不仅充分利用了石墨烯的三维骨架和孔隙结构,而且结合了高导电极性氮化钒对多硫化物的化学导电和转化促进作用,有效解决了“来回效应”带来的容量波动和库仑效率低的问题,获得了优异的电化学性能。

与单个石墨烯电极相比,氮化钒/石墨烯填充电极的极化更小,水解-还原反应动力学更慢,表现出更好的速率和循环性能,在高能锂硫电池的应用中具有很大的潜力。同时,金属氮化物是一个大家族,它们的低电导率和化学极性的特点c。

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