Small Structures:合理设计CoS₂-CoSe₂异质结构作为双功能催化剂助力高性能室温钠硫电池

室温钠硫(RT Na-S)电池由于具有高的理论能量密度和丰富的元素储备,被认为是目前最有前途的大型储能系统之一。然而,由于硫正极电导率低、中间产物易溶解穿梭以及循环过程中材料的巨大体积膨胀等关键问题,导致电池倍率性能差以及实际比容量低,给其商业化进程带来了巨大的挑战。因此,通过合理的微纳结构设计和组分优化,进而改善电化学性能并明晰材料反应机理是亟待解决的关键难题。为了抑制或缓解中间产物多硫化钠的穿梭效应,以及提升电极的导电性,研究人员提出了例如:物理限域、化学吸附、催化剂催化转化等策略。但是,单一组分的催化剂很难同时实现化学吸附锚定和电催化转化两种特性,所以为了保证设计出高效的硫宿主材料,催化剂对多硫化钠必须同时具有高效的吸附锚定作用和催化转化作用。因此设计拥有化学吸附和高效电催化效果的双功能催化剂,对实现高性能的室温钠硫电池具有十分重要的意义。

最近,中国科学技术大学余彦教授课题组通过静电纺丝法制备了多通道碳纳米纤维,并修饰上钴基硫硒化物异质结构作为双效催化剂,负载硫单质后得到S/CoS2-CoSe2@CNFs正极材料。其中构筑的中空碳纤维可以提高复合电极的导电性以及缓解充放电过程中的体积膨胀,此外修饰的CoS2-CoSe2异质结构作为双功能催化剂,不仅提高了对可溶性多硫化钠的化学吸附作用,并且有效催化了中间产物多硫化物的快速转化。另外,团队还通过原位XRD揭示了室温钠硫电池在充放电过程中的产物硫化钠,以及利用密度泛函理论计算揭示了异质结构催化剂中CoS2与CoSe2组分在反应过程中对多硫化物的吸附与催化作用。 武佳慧与余祖希是本文的共同第一作者,余彦教授为通讯作者。

图1 S/CoS2-CoSe2@CNFs材料的合成示意图

图2 S/CoS2-CoSe2@CNFs的储钠性能测试:(a)循环伏安曲线,(b)充放电曲线,(c)小电流循环性能,(d)倍率性能,(e)不同电流密度下充放电曲线,(f)已报道文献性能比较,(g)长循环性能

图3 (a)光学照片以及紫外可将光吸收谱,(b-d)硫化钠沉积实验,(e)非原位XPS,(f)原位XRD

图4 (a)机理演示图,(b)S8到Na2S在不同宿主表面的结合能以及(c)吉布斯自由能的变化

团队成功合成了S/CoS2-CoSe2@CNFs材料,提高了室温钠硫电池的性能。 通过实验结果和DFT理论计算结果表明, 其中CoS2-CoSe2作为双功能催化剂不仅对可溶性多硫化钠具有较强的化学吸附能力,而且对液固氧化还原反应具有高效的催化能力,展示了对多硫化钠催化转化反应动力学的增强和对穿梭效应的抑制。结果表明,S/CoS2-CoSe2@CNFs具有优异的的倍率性能(在3 A g-1时比容量保持有866 mAh g-1)与良好的循环稳定性(在1 A g-1循环200次后比容量保持有749 mAh g-1)。研究成果为构建高效硫宿主材料提供了一种有效的方法,并为进一步理解异质结构对室温钠硫电池的影响提供了参考。

论文信息:

Bifunctional Catalyst for Liquid-Solid Redox Conversion in Room-Temperature Sodium-Sulfur Batteries

Jiahui Wu, Zuxi Yu, Yu Yao, Lifeng Wang, Ying Wu, Xiaolong Cheng, Zeeshan Ali, Yan Yu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200020

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202200020