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    发布时间:2016-12-07 15:32:39    点击:4129

金钟、刘杰课题组在锂硫电池正极材料方面取得新进展


    南京大学化学化工学院金钟教授和刘杰教授共同带领的“微纳米能源材料课题组”在锂硫电池正极材料方面取得重要进展。相关研究成果近期以《Highly Efficient Retention of Polysulfides in Sea-Urchin-like Carbon Nanotube/Nanopolyhedra Superstructures as Cathode Material for Ultralong-Life Lithium-Sulfur Batteries》为题发表在Nano Letters, 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04433)。助理研究员陈涛博士为论文第一作者,大四本科生成宝睿同学为论文第二作者。
    进入信息时代以来,传统的锂离子电池已经不能满足能耗日益增大的便携电子产品、电动汽车和无人飞机等设备的需求,研发更高性能的二次电池已经成为新能源领域的当务之急。锂硫电池因为其高理论比容量(~1672 mAh g-1)和能量密度(~2600 Wh kg-1)而受到广泛关注,有望成为替代锂离子电池的新一代二次电池。然而,由于单质硫在锂化时的体积膨胀、多硫化锂中间体(Li2Sx)在电解液中的扩散、以及单质硫和硫化锂(Li2S)的低导电性,锂硫电池通常表现出较快的容量衰减、较低的库伦效率和较差的循环稳定性。这些关键问题严重阻碍了锂硫电池的实用化。
    针对这些问题,金钟、刘杰课题组设计了一种双金属有机骨架衍生的“海胆”状锂硫正极材料(1)。通过将双金属ZnCo-ZIFs前驱体在Ar/H2混合气氛中于800 °C煅烧获得Co纳米粒子镶嵌的“海胆”状氮掺杂碳纳米管-碳多面体超级结构Co-NCNT/NP(2),该结构能有效缓冲单质硫在锂化时的体积膨胀、阻止多硫化物的穿梭效应并提高了复合正极材料的导电性。
    作者通过与S@NCNT/NP(不含Co)以及S@Co-NCNP(不含氮掺杂碳管)两个样品的对比进一步佐证了Co-NCNT/NP有很高的导电性和很强的多硫化锂吸附能力,其循环稳定性和倍率性能都有很大提升。这种电极材料在单质硫的担载量为80 wt%的情况下,以1.0 C的电流密度循环1500圈后,比容量仍能维持在570 mAh g-1,平均每圈的衰减速率仅为0.026%(3)。更为重要的是,在单质硫的面积负载率高达3.2 mg cm-2下,仍然具有稳定的循环性能和较高的面积容量。这项工作设计了一种全新结构的锂硫正极复合材料,为实现发展新一代高容量锂硫电池提供了新的思路。
    该研究工作得到了青年千人计划、973计划、重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。
1. (a) 采用ZnCo-ZIFs前驱体制备“海胆”状Co-NCNT/NP。(b) “海胆”状Co-NCNT/NP结构限制硫和多硫化物的穿梭效应的示意图。
 
2. (a) 海胆照片和“海胆”状Co-NCNT/NP的(b) SEM、(c-e) TEM表征和(f) 能谱分析。
 
3. 基于S@Co-NCNT/NP复合正极的锂硫电池的电化学性能。

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