Advanced Energy Materials:从能带中心揭示铁基化合物对Li–S化学体系中Li2Sx的催化活性

锂硫电池,由于具有成本低和能量密度高的优点(2600 Wh/kg),已经成为最具潜力的新一代储能器件。然而,锂硫电池中存在的“穿梭效应”以及硫材料本身导电性差的问题阻碍了它的进一步商业化应用。为此,研究人员采用了许多金属基化合物来吸附多硫化物 (LPS)以减缓活性物质的溶解,同时也取得了优异的电化学性能。长期以来,研究人员主要将锂硫电池性能的增强归因于硫主体材料对LPS(Li2Sx,x=1、2、4、6、8)的强吸附性。 然而,根据之前的研究,极性金属基化合物对LPS的结合能可能不是决定性因素; 相对而言,主体材料对LPS的催化作用对提高Li-S电池的性能起着主导作用。 因此,为了更好地帮助研究人员筛选出适合硫正极的改性材料,找到一个能够衡量硫改性材料催化能力的“描述符”就显得尤为重要。

华南理工大学刘军朱敏教授课题组以螯合的Fe-PVP(聚乙烯吡咯烷酮)为前体,通过后续简易的退火合成了一系列Fe基材料(例如Fe3O4@C,FeS@C,Fe3N@C)作为电池隔膜的改性层,并系统地研究了它们之间的性能差异。发现基于d带中心开发的dp谱带中心模型可以合理地结合Li2S4的反应电势和性能差异。相关结果发表在Advanced Energy Materials上。

研究人员通过一种简便且可大规模生产的途径合成了一系列嵌入三维多孔碳中的核-壳型铁基纳米粒子。经过系统电化学性能测试和飞行时间-二次离子质谱(ToF-SIMS) 的研究,研究人员澄清了在Fe3C@Fe3O4@C材料系统中,LiF、LiO 和 LiS 的形成将在初始放电过程中为锂硫电池体系提供额外的容量。对于 Li-S 电池中 Fe 基化合物的电化学性能,研究人员发现 pd 带中心的差值减少有利于降低键断裂的能垒,从而促进电池的反应动力学;同时借助从头算分子动力学研究了 Fe3C@Fe3O4@C 各组分与 Li2S4 的相互作用:Li2S4 的 g(r)S-S 和键长变化反映了 Fe3C 对 LPS 的催化作用。研究人员相信本文提出的dp带中心模型和AIMD的结果将有利于Li-S电池的未来研究工作。同时,这种具有独特结构和优异电化学性能的 Fe3C@Fe3O4@C材料可以显着推进锂硫电池的研究进程。

论文信息:

Unraveling the Catalytic Activity of Fe–Based Compounds toward Li2Sx in Li–S Chemical System from dp Bands

Jiadong Shen, Xijun Xu, Jun Liu*, Zhuosen Wang, Shiyong Zuo, Zhengbo Liu, Dechao Zhang, Jiangwen Liu, Min Zhu

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100673

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202100673

AEnM

《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)创刊于2011年,是Wiley出版社旗下能源类材料科学权威期刊。期刊秉持国际、综合视角,为各类应用于能源技术中的先进材料的最前沿研究成果提供展示、传播与交流的国际化平台。最新影响因子为25.245,中科院2020年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。