Small:封装金属纳米点中空材料构筑的高性能长寿命锂硫电池

随着电动汽车、便携式电子设备以及大规模智能电网的发展对先进储能技术的迫切需求,传统的锂离子电池已不能满足社会发展对能量存储的需求。锂硫电池由于具有高的理论比容量和高的能量密度,以及硫的储量丰富和环境友好等优势被视为最有应用前景的高容量储能系统之一。然而,锂硫电池的大规模商业化应用仍存在一些技术挑战,如硫和固态放电产物的不导电性,多硫化物的穿梭效应以及充放电过程中的体积变化等。这些问题导致了硫的利用率低、循环稳定性差、反应动力学慢以及低的库伦效率等。如何提高锂硫电池的循环寿命,加快硫活性物质的氧化还原动力学,已成为当前研究的热点之一。

近期,中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室王瑞虎研究员课题组利用离子聚合物封装的沸石咪唑基框架(ZIF-67@ImIP)作为前驱体,通过可控硫化和碳化过程合成了空腔中含钴纳米点的双层壳中空结构(Co-NC@Co9S8/NPC)。该中空材料作为硫主体材料应用于锂硫电池,能够显著提升电池的容量和循环稳定性。空腔中封装的钴纳米点能够增强对空腔中的硫物种的化学吸附,加快氧化还原反应速率,提高硫的利用率。同时,相互连接的双层壳中空结构作为纳米级电化学反应器,有效抑制多硫化物的穿梭效应,加快离子、电子的传输速率,从而显著提升锂硫电池的循环稳定性。得益于结构工程和反应动力学的调控,Co-NC@Co9S8/NPC-S电极能够在2 C的放电条件下循环2000圈,而容量衰减率仅为0.011%。即使在4.5 mg cm-2的高硫面密度和75% 的高硫负载量下,仍能稳定循环500圈,且具有良好的倍率性能。该研究不仅为双层壳中空纳米结构的合成提供了新的调控策略,而且也为开发高性能锂硫电池和其它储能系统提供了新的思路。

相关工作发表在Wiley旗下Small (DOI: 10.1002/smll.201906114) 期刊上。