Advanced Energy Materials:设计一维硒化钼电催化剂调控锂硫电池氧化还原反应动力学

为应对全球极端天气,降低大气中二氧化碳的含量,我国制定了“碳达峰”与“碳中和”的战略目标。而开发清洁、高效和可持续的二次能源体系对于降低碳排放是十分必要的。相比于目前商业化的锂离子电池,其能量密度仅为300 Wh kg-1且接近极限,锂硫电池因具有更高的能量密度(2600 Wh kg-1)而备受关注。但是,目前锂硫电池的商业化仍然遭受一些问题的困扰,主要包括单质硫和放电产物硫化锂均不导电、充放电过程中80%的体积膨胀和众所周知的多硫化锂的穿梭效应。在硫正极侧使用无机化合物电催化剂可以实现快速的将可溶的多硫化锂催化转化为难溶的硫化锂,从而能有效的抑制穿梭效应。然而目前对锂硫电池电催化过程的报道较为模糊和笼统,对电催化加速氧化还原动力学的基本认识仍然缺乏本质的理解,但这对未来设计锂硫电池中的电催化剂至关重要。

山东大学徐立强教授课题组通过水热结构导向模板法和高温煅烧硒化策略制备出一维核壳结构的MoSe2@C材料,通过调控反应动力学实现了其高性能化。根据DFT计算、XPS谱图分析、塔菲尔曲线和对称电池等测试结果表明,硒化钼通过与多硫化锂中间产物形成Se–Li键,从而削弱了多硫化锂分子中的S–S键和S–Li键,起到活化的作用,因此多硫化锂裂解生成硫化锂的转化过程会被加速,反应的活化能得到降低。另外,结合第一性原理计算和电化学方法证实MoSe2不仅可以促进锂离子的扩散,还可以降低硫逐步转化反应的吉布斯自由能能垒。得益于MoSe2的电催化特性和一维结构,该锂硫电池在4.7 mg cm-2的高硫负载、贫电解液用量下实现4.7 mAh cm−2的高面容量和3.4 mg cm−2负载下1 C倍率性能高达560 mAh g−1,同时成功开发出锂硫软包电池。该工作详细论证了一维硒化钼电催化多硫化锂转化的作用机制,展示了基于硒化物电催化剂的锂硫电池具有一定的应用前景,并对于深入理解电催化剂调控锂硫电池反应动力学具有重要意义。

上述系列研究工作得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金的资助。

论文信息:

Manipulating Electrocatalytic Polysulfide Redox Kinetics by 1D Core–Shell Like Composite for Lithium–Sulfur Batteries

Chuanchuan Li, Weini Ge, Siyun Qi, Lin Zhu, Renzhi Huang, Mingwen Zhao, Yitai Qian, Liqiang Xu*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202103915

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202103915