Advanced Energy Materials:分子水平设计的黄铁矿电催化剂修饰的等级多孔碳球作为锂硫电池纳米反应器

锂硫电池具有较高的理论能量密度(2600 Wh/kg)和理论比容量(1675 mAh/g),被认为是一种有广阔应用前景的高比能电池。但由于在充放电过程中硫的转化反应动力学慢,导致硫的利用率不高、穿梭效应严重等问题,使得锂硫电池的容量偏低,循环稳定性差,大大限制了锂硫电池的实际应用。因此,如何合理设计电催化体系,在高载硫的条件下,高效稳定地实现多硫化物的催化转化,提高锂硫电池的容量和寿命,是目前锂硫电池应用发展的瓶颈之一。

中科院大连化物所刘健研究员,吴忠帅研究员针对这一问题通过分子水平的设计,开发了一种Fe1-xS修饰的纳米反应器,并将其应用于锂硫电池正极,获得了优异的多硫化物催化活性和循环稳定性。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202000651)上, 并于当期Inside Back Cover做简要介绍。

在聚合物树脂合成过程中,将金属前体直接添加到混合物中,间苯二酚硫化物(RS)用作C和S的来源。RS中的硫充当配体,通过络合与金属阳离子牢固结合。将Fe3+与含有RS的乙醇/水溶液混合后,得到粉红色溶液,证明形成了[Fe3+–RS]络合物。然后,加入NH3水溶液,由于进一步形成[Fe3+NH4+-RS]络合物,溶液变成深棕色。随着甲醛的加入引发聚合反应,逐渐形成[Fe3+NH4+-RS]-F树脂的乳白色棕色沉淀物,其中Fe3+分布均匀。沉淀物的最终褐色,证实了Fe3+确实通过络合均匀地分布在[Fe3+NH4+–RS]–F树脂中。然后将棕色树脂与三聚氰胺(作为N的来源)充分混合,最后在5%H2/Ar混合物中于900 °C碳化。在碳化过程中,大的介孔腔和分散良好的Fe1-xS纳米颗粒在碳球内逐渐在原位形成,从而形成了等级多孔的Fe1-xS-NC纳米球。同时,三聚氰胺中的N可以作为Fe的固定点来控制Fe1-xS的分散。Fe1-xS-NC具有较高的比表面积(627 m2 g-1),较大的孔体积(0.41 cm3 g-1)和增强的向多硫化物的吸附和电催化转变。碳球内原位产生的大介孔可容纳高达75%的高硫负荷,并在充电/放电循环期间维持体积变化,并改善离子/质量转移。英国萨里大学蔡琼团队在理论上预测了Fe1-xS-NC对多硫化物吸附性能,并在实验中得到了证实。随后,测试了Fe1-xS-NC的电催化活性。结果表明,Fe1-xS-NC是用于硫负载的高效纳米反应器。因此,Fe1-xS-NC纳米反应器作为锂硫电池的正极材料表现非常出色,在0.5 C下200次循环后显示出1070 mAh g-1的高初始容量,几乎没有容量损失。此外,即使在8.14 mg cm-2的高硫负荷下,所得的锂硫电池仍显示出显着增强的速率能力和循环能力。