侴术雷教授AFM：碘掺杂硒化铋，锂硫电池循环1000圈，每圈衰减率仅0.012%

锂硫电池（LSBs）因其非常高的理论比能量、与硫含量丰富相关的低成本潜力以及无毒性而备受关注。然而，硫及其放电产物（Li₂S/Li₂S₂）的电绝缘性、活性材料的低利用率以及锂化时正极的大体积膨胀和可溶性中间体多硫化锂(LiPS)的穿梭导致循环稳定性一般。这些缺点表明需要对硫正极进行设计和改进。

近日，温州大学侴术雷教授等人详细评估了碘掺杂硒化铋(I-Bi₂Se₃)纳米片作为锂硫电池中硫载体的潜力，并对其形貌、晶体结构和组成进行了详尽的介绍。通过密度泛函理论和实验证明I-Bi₂Se₃纳米片具有适当的组成和微纳结构，以促进Li⁺扩散和快速电子传输，并提供大量具有强LiPS吸附性和优异催化活性的表面位点。总体而言，I-Bi₂Se₃/S电极在0.1 C时表现出高达1500 mAh g^-1的出色初始容量和超过1000次循环的稳定性，在1 C时每个循环的平均容量衰减率仅为0.012%。此外，在硫负载量为5.2 mg cm^-2和12 µL mg^-1的电解质/硫比例下，在0.1 C时获得了5.70 mAh cm^-2的高面积容量。这项工作表明，掺杂是优化LSB中金属硒化物催化剂的有效方法。相关研究成果以“Enhanced Polysulfide Conversion with Highly Conductive and Electrocatalytic Iodine-Doped Bismuth Selenide Nanosheets in Lithium–Sulfur Batteries”为题发表在Advanced Functional Materials上。

图1. I-Bi₂Se₃纳米片的表征：a-b)SEM和HRTEM图像。c)从STEM显微照片的红色方形区域获得的EELS化学成分图。d)XRD图谱。e)Bi_4f、Se_3d和I_3d的高分辨率XPS谱图。f)Bi₂Se₃和I-Bi₂Se₃的电导率(σ)和塞贝克系数(S)的温度依赖性。g)I-Bi₂Se₃/S复合材料的SEM图像和元素分布图 。

图2. a)Super P、Bi₂Se₃和I-Bi₂Se₃对Li₂S₄的吸附效果。b)上清液的紫外-可见光谱。c)I-Bi₂Se₃吸附Li₂S₄前后的Bi_4f XPS谱图。d)Li₂S₄在Bi₂Se₃和I-Bi₂Se₃表面上的优化几何构型。e)LiPS在Bi₂Se₃和I-Bi₂Se₃表面上的计算结合能。f）HSE06能带结构和Bi₂Se₃和I-Bi₂Se₃的态密度。g)Li₂S在I-Bi₂Se₃上分解的优化吸附配置和Li₂S簇在Bi₂Se₃和I-Bi₂Se₃上分解的能垒分布以及不同的反应坐标。h)Gibbs自由能分布和优化的LiPS物质在Bi₂Se₃和I-Bi₂Se₃上的吸附构象。

图3. a)具有I-Bi₂Se₃/S、Bi₂Se₃/S和Super/S正极的Li-S电池的CV曲线。b)从CV曲线获得的非对称Li-S电池的峰值电位和起始电位。c)I-Bi₂Se₃/S电极在不同扫描速率下的CV曲线。d-f)具有不同电极的Li-S电池中的正极还原过程和负极氧化过程的峰值电流与扫描速率(υ)的平方根的关系。g)计算的Li⁺扩散系数。h)扫描速率为20 mV s^-1时对称电池的CV曲线。i)使用Li₂S₈正极液在不同电极上2.05 V的恒电位放电曲线，用于评估Li₂S的成核动力学。

图4. a)I-Bi₂Se₃/S、Bi₂Se₃/S和Super/S电极在0.1 C电流速率下的GCD曲线。b)从充电/放电曲线获得的ΔE和Q2/Q1。c）不同倍率下的GCD曲线。d）不同电极的倍率性能。e）不同正极在不同电流倍率下的能量效率。f)I-Bi₂Se₃/S、Bi₂Se₃/S和Super/S电极在0.2 C下的循环性能。g)I-Bi₂Se₃/S电极在循环前后的EIS谱图。h)三个正极在1 C倍率下的循环性能和CE。

图5. a) Li-S纽扣电池-的倍率性能，硫负载量为5.2 mg cm^-2。b)不同电流倍率下的初始充电/放电曲线。c)I-Bi₂Se₃/S正极在贫电解液条件下在0.5 C电流倍率下的循环性能。d）与其他报道的文献相比，每个周期的衰减率。

Mengyao Li, Dawei Yang, Jordi Jacas Biendicho, Xu Han, Chaoqi Zhang, Kun Liu, Jiefeng Diao, Junshan Li, Jing Wang, Marc Heggen, Rafal E. Dunin-Borkowski, Jiaao Wang, Graeme Henkelman, Joan Ramon Morante, Jordi Arbiol, Shu-Lei Chou, Andreu Cabot, Enhanced Polysulfide Conversion with Highly Conductive and Electrocatalytic Iodine-Doped Bismuth Selenide Nanosheets in Lithium–Sulfur Batteries, Advanced Functional Materials. 2022.

https://doi.org/10.1002/adfm.202200529