Small:探索微孔中的奥秘——硒在微孔碳中的特殊电化学行为

微孔碳材料因为其较高的比表面积以及良好的导电性和吸附性能在催化、环保和能源等领域得到了广泛的应用。近年来,人们研究发现将微孔碳材料作为锂硫电池正极活性材料的负硫载体时,能促进形成并固定小硫分子(S2-4),从而抑制了多硫化物穿梭效应的发生,锂硫电池展现出良好的循环性能。与硫相比,硒作为锂电池的活性物质具有以下优点:(1)硒的密度(4.8 g cm-3)是硫的2.5倍,虽然其质量比容量(675 mAh g-1)较低,但体积比容量(3253 mAh cm-3)与硫元素相当;(2)硒的导电性(1×10-3 S m-1)远高于硫,意味着在锂电池中硒具有更高的利用率,更好的电化学活性,与锂能发生更快的电化学反应。因此,锂硒电池是一种颇有前景的新型高比能量二次电池体系。同样,微孔碳/硒材料在锂硒电池也展现出了优异的电化学性能,但是目前硒在微孔中的电化学反应过程以及微孔对于电极动力学的作用机理尚未得到深入研究。

湖南大学材料科学与工程学院的张世国教授课题组针对这一问题,深入研究了微孔碳/硒和介孔碳/硒电极的离子传输系数、表面的SEI的组分和厚度,并计算Li2Se在孔中的电子结构。结果表明,相比于介孔碳,微孔碳中的微孔结构能促进电极表面形成更致密和更薄的SEI,而且SEI中的LiF的含量也更高。因此,在电化学反应过程中,锂离子在SEI中的传输更快。另外,研究发现,在小于13.56埃的孔内,因为限域作用,Li2Se将产生巡游电子,能从绝缘体转变成类金属导体,从而提升电极的整体电子导电性,而且通过对比分析微孔碳/硒电极在醚类电解液和溶剂化离子液体电解液中的电化学行为,进一步发现这种微孔限域作用不受电解液的影响。

研究人员相信,该工作对促进微孔碳材料在电化学储能器件上的应用研究具有重要意义,同时为高能量密度、高功率密度商业化锂硒电池的开发提供新的理论支撑。相关论文在线发表于Small (DOI: 10.1002/smll.202000266)上