Advanced Energy Materials:Co纳米晶负载氮掺杂多孔碳笼实现多重效应助力高性能Li-S电池

近年来,新能源产业的蓬勃发展对锂离子电池储能技术提出了更高的要求,尤其在大规模储能领域,受限于安全性和成本,锂离子电池尚未得到大规模应用。Li-S电池具有高达~2600 Wh/kg的能量密度,但在充放电过程中也存在一系列问题,如单质S导电性差、中间产物多硫化物穿梭、充放电过程中体积膨胀等。针对上述问题,人们针对S正极宿主材料不断进行探索,如通过多孔炭吸附改善硫正极的导电性,通过氮元素掺杂提高对多硫化物的吸附等。但以往各种手段均无法从根本上解决问题,人们期望得到一种综合各种功能的更加有效的正极宿主材料。

图1 N-PC@uCo/S合成和表征

近期,北京大学潘锋教授团队在Advanced Energy Materials 上发表了题为“Highly Dispersed Cobalt Clusters in Nitrogen-Doped Porous Carbon Enable Multiple Effects for High-Performance Li–S Battery”( DOI: 10.1002/aenm.201903550)的文章。作者基于常见的MOF制备了一种高度分散的Co纳米晶负载氮掺杂多孔碳笼。在合成过程中加入适量的葡萄糖,有效抑制了碳化过程中钴金属的团聚,从而得到了分散均匀的钴纳米晶。通过对所得宿主材料进行表征发现该材料具有~1185 m2/g 的高比表面积,从而实现了高达76%载硫量。通过进一步电化学性能测试发现,制备的多功能硫正极宿主材料具有优异的电化学性能,在长循环500圈后依然有86%的容量保持率,同时倍率性能优异,在7.5 A/g电流密度下具有600 mAh/g的容量。结合第一性原理计算,进一步从理论上解释了钴纳米颗粒的存在能够有效加速多硫化物的动力学还原过程,从而有效提升材料的循环稳定性。

因此,在这项工作中,作者设计并制备了具有多种功能的硫正极宿主结构,包括高电导率、高S载量、能够有效的释放S体积膨胀产生的应力及形成硫正极和宿主材料的良好接触。同时,硫宿主材料中高度分散的钴金属纳米晶不仅有效促进锂离子的扩散和多硫化物的氧化还原,而且可以增强多硫化物的吸附。 该工作不仅为未来Li-S电池中过渡金属作为多硫化物高性能氧化还原催化剂提供可借鉴的理论基础,而且为DFT计算锂离子扩散速率和多硫化物吸附提供了有效参考,有望促进具有优异循环稳定性的Li-S电池的发展。