Advanced Materials: 氮掺杂石墨烯负载镍单原子助力锂硫电池反应动力学

锂硫电池具有高理论比容量(1675 mAh g-1)和高能量密度(2600 Wh kg-1),而且硫元素含量丰富、价格低廉,因此其备受关注。然而,多硫化物的“穿梭效应”及其在电化学过程中迟缓的反应动力学严重降低了活性物质的利用率,从而导致容量的快速衰减和较差的倍率性能。构筑锂硫电池的功能化隔膜是解决上述问题的有效方法之一,因此,如何设计和开发具有固定多硫化物,又可以加快其动力学转化反应的功能材料是隔膜修饰的关键。

近日,南开大学化学学院牛志强研究员团队联合中国科技大学宋礼教授团队(共同通讯作者)将氮掺杂石墨烯负载Ni单原子(Ni@NG)引入到锂硫电池隔膜体系中,结合理论计算详细阐述了Ni原子与多硫化物在电化学反应过程中的作用机理,在锂硫电池隔膜改性方面取得新进展。其中,Ni@NG 独有的Ni-N4特殊结构使得负载的Ni原子为氧化态,它作为多硫离子的活性作用位点通过形成Sx2-…Ni-N化学键有效固定多硫化物,从而减缓其在电化学反应中的“穿梭效应”。与此同时,氧化态Ni原子与多硫离子之间发生电荷转移,加快多硫化物的氧化还原反应,提高活性物质的利用率,显著提升锂硫电池循环寿命。此外,X射线近边吸收精细结构光谱和X射线光电子能谱分析表明,在充放电过程中Ni单原子的化学变化是可逆发生的,这有助于实现锂硫电池的电化学稳定性。

本工作为加快锂硫电池的反应动力学提供了新的解决方案,并启发石墨烯负载单原子在锂硫电池领域的应用。相关论文以“Single Nickel Atoms on Nitrogen-doped Graphene Enabling the Enhanced Kinetics of Lithium Sulfur Batteries” 为题在线发表在Advanced Materials (2019, DOI/10.1002/adma.201903955)上。