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ACS Nano:合理构筑核壳结构的碳包覆氮化铁用于长循环寿命锂硫电池

【研究背景】

    随着化石能源的枯竭以及日益突出的环境问题,人类对廉价、清洁的可再生能源需求与日俱增,因此大力发展环境友好的新能源和高效储能系统迫在眉睫。在新一代储能体系中,基于多电子转化反应的锂硫电池由于其超高的理论能量密度、低廉的材料价格以及优异的环境友好性,已经成为最具潜力的新一代储能器件。然而,锂硫电池中存在的“穿梭效应”以及硫材料本身导电性差的问题导致其较短的循环寿命,进而阻碍了它的进一步商业化应用。为了解决这个问题,将极性化合物与碳材料结合已经被证明是一个巧妙的设计,以实现对多硫化锂的强吸附力和有效的催化效果,从而提升电池的循环寿命。其中,极性化合物氮化铁(Fe2N) 具有较高的电子导电性和本征催化活性,并且铁资源丰富且价格低廉,因此在催化领域有着广泛的应用。基于其本质特性,我们有理由相信氮化铁可以作为一种出色的硫正极载体用于高性能锂硫电池。

【成果简介】

    近日,来自国防科技大学的郑春满教授、谢凯教授课题组设计并制备了一种具有核壳结构碳包覆氮化铁复合材料作为多功能型硫载体应用于锂硫电池中。实验结果和理论计算表明,该复合材料结合了碳的高导电性与氮化铁的强吸附/催化作用,不仅可以通过物理约束和化学键合的协同作用,有效锚定多硫化物中间体,而且能够实现电子/离子的快速转移,显著提高氧化还原反应动力学。

ACS Nano:合理构筑核壳结构的碳包覆氮化铁用于长循环寿命锂硫电池图1 (a,b) S/Fe2N@C 的SEM图;(c-i) S/Fe2N@C 的TEM图及元素分布图;(j) S/Fe2N@C在1C下的循环性能图。

    电化学测试结果显示,使用该复合正极在1 C电流密度下经过600次循环,仍可保持 881mAh g-1的容量,平均每圈的容量衰减率仅为 0.036%;在4.1 mg cm-2的高硫负载面密度下,0.5 C电流密度下循环仍有4.2 mAh cm-2的面积比容量。该研究工作为发展具有高能量密度、长循环寿命的锂硫电池提供了切实可行的研究方案。相关成果以Rational Construction of Fe2N@C Yolk-Shell Nanoboxes as Multifunctional Hosts for Ultralong Lithium-Sulfur Batteries为题发表在国际期刊ACS Nano上。

Weiwei Sun, Chang Liu, Yujie Li, Shiqiang Luo, Shuangke Liu, Xiaobin Hong, Kai Xie, Yumin Liu, Xiaojian Tan, Chunman Zheng, Rational Construction of Fe2N@ C Yolk-Shell Nanoboxes as Multifunctional Hosts for Ultralong Lithium-Sulfur Batteries. ACS Nano, 2019, DOI:10.1021/acsnano.9b06629

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参考文献:ACS Nano

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