Advanced functional materials:富阳离子缺陷Fe3-xC@C中空微球智能调控多硫化物吸附/催化能力助力高性能锂硫电池

锂硫电池因其高能量密度,低成本和高环境兼容性等优点有望做为下一代储能系统以大规模使用。但是锂硫电池的商业化进程一直受限于一些技术问题,例如硫的电导率低,多硫化锂(LiPS)中间体在电解液中的溶解和穿梭效应,充放电过程中硫的体积膨胀以及缓慢的LiPS转化动力学等,这些问题导致了锂硫电池具有较差的循环稳定性和倍率性能,不能满足高能量密度储能器件,尤其是动力电池的需要。

近日,华南师范大学王新副教授与加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士利用缺陷工程设计出一种独特的富含阳离子空位的Fe3-xC@C中空微球作为多硫化物宿主材料以提高多硫化物的吸附和催化转化能力来实现优异的电化学性能。铁作为地壳含量居第四位的元素,具有产量高,价格低廉等优势,利用铁基材料来构筑电池电极十分理想。然而具有完美晶体结构的铁基材料作为载体时往往很难同时表现出优异的多硫化物吸附和催化转化能力,性能总是差强人意。然而,通过缺陷工程的设计引入不完美结构却可以使其具有更完美的性能。通过实验和计算结果表明,这种具有不完美结构的Fe3-xC相比Fe3C而言具有更强的LiPS吸附能力和催化性能,从而有效抑制穿梭效应并实现快速的氧化还原动力学。同时,Fe3-xC中空微球所具有的中空和多孔结构不仅能够使得反应活性位点充分暴露,而且与表面碳包覆层协同构建了电子和离子的快速传输通道,进一步加快多硫化物的电化学转化过程。基于这些结构设计的优势,Fe3-xC@C的硫正极具有出色的倍率和循环性能。所设计出的锂硫电池可以在15分钟内完成充电,并在长达1000次的循环后容量保持率仍具有60%以上,有望成为下一代可快速充电的电动汽车的能量源来使用。该工作首次引入富含Fe空位的锂硫电池硫载体材料,开拓了一种新的空位工程设计思路,为实现高性能锂硫电池提供了新的见解。

研究者相信,此项研究将会为基于缺陷工程设计的高性能锂硫电池打开了一扇窗户,并为其他储能领域中的材料设计提供新的思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202001165)上,并于当期Inside Back Cover做简要介绍。论文第一作者是张永光副教授和李高然博士。