化学耦合的硫化镍和碳空心球的三维杂化材料应用于高性能锂硫电池

锂硫电池由于高达其2600 Wh/kg的理论容量密度,硫的低成本且含量丰富而受到学界和产业界的广泛关注。然而活性物质在电解质中的溶解导致的“穿梭效应”和硫的低电导率严重制约了锂硫电池的循环寿命和硫的利用率。尽管进行了大量的研究工作,目前尚未完全实现构建具有高硫负载量且稳定长循环的硫宿主材料。金属硫化物作为硫宿主材料越来越多的引起了学界的关注。然而,常规方法产生的金属硫化物尺寸大且分布不均,限制了其在锂硫电池中的应用。此外,在金属硫化物和碳的复合材料界面处的缓慢的电荷转移限制了多硫化物的氧化还原效率。

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为了解决这些问题,来自澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋和华南理工大学的王海辉研究团队通过使用原位的热还原和硫化的方法开发设计了一种新型硫化镍和碳空心球的三维杂化硫宿主材料,该材料具有均匀分布在三维碳空心球上的纳米尺度的硫化镍的独特结构,提高了锂硫电池的硫负载能力,循环稳定性和放电容量。与常规硫主体材料相比,该材料的三个主要优点是:对活性材料的吸附容量高,强的硫化镍和碳间的化学耦合带来的快速的电荷转移和强的稳定性,以及三维中空结构带来的高硫负载量和三维电子通路。该新型的三维杂化材料不仅使锂硫电池的实际应用成为可能,也可以应用于其他电化学储能和转换系统。该材料采用新的原位热还原和硫化的合成方法将硫化镍和碳空心球杂化,形成独特的硫化镍纳米颗粒均匀分布于碳空心球表面的三维结构。新的合成方法带来的强的硫化镍和碳空心球间的化学耦合作用,提高了锂硫电池高的循环稳定性和放电容量,0.5C下300循环间0.013%的容量保持率。相关文章发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201702524)上。

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