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Nano Select:MnO修饰多级孔碳材料在锂硫电池中的应用

来源:网络整理 浏览:290次 时间:2021-09-18


由于单质硫以及还原反应产物(Li2S/Li2S2)的导电性非常差,而作为锂硫电池的正极材料需要具有良好的导电性,通常石墨化的碳材料、碳纳米管、二维石墨烯等材料被用来作为硫的基底材料。但是锂硫电池充放电过程中产生的“穿梭效应”以及反应前后的体积变化都会对电池电化学性能产生很大的影响(如循环性能下降、活性物质利用率降低、容量下降等),这时通过单纯的碳材料难以解决这些障碍。过渡金属化合物,特别是过渡金属氧化物掺杂在锂硫电池正极材料中近年来被广泛研究。经大量研究表明过渡金属氧化物在锂硫电池反应过程中会加快多硫化物的转化,同时通过形成金属-硫、氧和多硫化锂中的锂之间的化学键来禁锢多硫化物,进而起到抑制“穿梭效应”的目的。而金属氧化物的导电性通常不是很理想。因此需要具有良好导电性的碳材料为载体,并且需要较多的活性位点使金属氧化物得以均匀分布。



合肥工业大学材料学院未来能源实验室孟凡成副教授和刘节华教授团队针对锂硫电池正极材料的这些特性,设计出一套简便的实验方法:利用氯化钠为模板,乙酸锰和葡萄糖分别作为MnO的锰源和多孔碳的前驱体,通过溶液合成和高温碳化,制得MnO修饰的分级多孔碳材料,其应用在锂硫电池正极材料中表现出了优异的电化学性能。相关结果于近期发表在Nano Select(DOI:10.1002/nano.202000157)上。
该复合正极材料中,纳米尺寸的MnO均匀分布在多孔碳基底表面,为锂硫电池反应提供了充足的活性位点,加快了多硫化物之间的相互转化;锰-硫和锂-氧化学键的形成限制了多硫化物向负极的流失,抑制了“穿梭效应”的影响。三维多孔结构对锂硫电池充放电过程中的体积变化起到一定的缓冲作用,同时大孔、介孔、微孔的存在加快了电子和离子传输,减少了阻抗。MnO的化学吸附作用结合分级多孔碳的物理特性对锂硫电池正极的电化学性能改善起到显著的作用。其长期循环测试表明,在0.2 C电流密度下,首圈比容量高达1389 mA h g-1,接近理论比容量1675 mA h g-1, 经200圈循环充放电其库伦效率保持约100%。该研究证实了MnO在锂硫电池中的化学固硫作用,三维结构的多孔碳材料也体现出了优异的导电性和固硫效果。研究者认为高效的过渡金属化合物以及具有高比表面积和高孔容的导电碳材料将继续推动锂硫电池向商业化应用的进一步发展。


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