VC-VO異質(zhì)顆粒的相演化促進(jìn)鋰硫電池中硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)

文 章 信 息

VC-VO異質(zhì)顆粒的相演化促進(jìn)鋰硫電池中硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)

研 究 背 景

鋰硫電池因其超高的理論能量密度、低成本和硫的環(huán)境友好性而成為下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱門候選。然而，多硫化物的穿梭效應(yīng)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩的存在嚴(yán)重阻礙了其研究進(jìn)展。近期，硫宿主材料的研究通常集中在調(diào)節(jié)多硫化物的行為以獲得高性能的鋰硫電池。 然而，電化學(xué)過程中富多硫化物的環(huán)境下支架材料是否會(huì)發(fā)生相演化，以及可能發(fā)生的相演化對(duì)整體電化學(xué)行為的影響，對(duì)于探索鋰硫電池的內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理和電化學(xué)性能具有至關(guān)重要的作用。電化學(xué)過程中的物相演化及其影響的詳盡探索，為鋰硫電池的商業(yè)化提供了更多的可能性。

文 章 簡(jiǎn) 介

基于此，來自廣西大學(xué)的朱金良副教授，在國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“Phase Evolution of VC-VO Heterogeneous Particles to Facilitate Sulfur Species Conversion in Li?S Batteries”的文章。該文章主要介紹了碳分散的VC-VO納米顆粒作為硫正極宿主材料有效地促進(jìn)了硫和多硫化物的轉(zhuǎn)化。通過原位表征技術(shù)，探究了電化學(xué)過程中富多硫化物條件下VC-VO顆粒的相演化，以及相演化對(duì)電化學(xué)行為的影響。

圖1. VC-VO異質(zhì)顆粒電化學(xué)過程中的相演化

本 文 要 點(diǎn)

要點(diǎn)一：VC-VO異質(zhì)顆粒作為多硫化物固定劑和催化劑VC-VO異質(zhì)顆粒作為多硫化物固定劑和氧化還原反應(yīng)催化劑有效地增強(qiáng)了鋰硫電池的電化學(xué)性能。VC-VO異質(zhì)顆粒結(jié)合了VO的強(qiáng)吸附能力和VC的氧化還原活性。VC-VO異質(zhì)顆?？梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多硫化物的強(qiáng)有力錨定，快速擴(kuò)散和高效轉(zhuǎn)化。VO和VC之間良好的界面接觸保證了多硫化物從捕獲位置向?qū)щ娀|(zhì)的快速擴(kuò)散，從而加速了氧化還原動(dòng)力學(xué)，促進(jìn)了不溶性硫化鋰的形核和沉積。

圖1.a）可視化吸附試驗(yàn)和b）相應(yīng)的紫外-可見光譜。c） 多硫化物（Li2S8、Li2S6、Li2S4和Li2S2）吸附在VC和VO上的結(jié)合能。d） Li2S8和Li2S2在VC（200）和VO（200）上的吸附構(gòu)型。e） VC（200）和VO（200）平面上Li2S8和Li2S2的電荷密度。

圖2.a）旋轉(zhuǎn)圓盤電極（RDE）的三電極測(cè)量系統(tǒng)示意圖。b） VC-VO/HPC、VC/HPC，VO/HPC和HPC的LSV曲線。c） 根據(jù)LSV曲線計(jì)算的電位控制電流階段的Tafel曲線。VO/HPC d）、VC/HPC e）和VC-VO/HPC f）的恒電位放電曲線。g, h）對(duì)稱電池CV曲線。i）Li+擴(kuò)散速率。 要點(diǎn)二：VC-VO異質(zhì)顆粒在富多硫化物下電化學(xué)過程中的相演化透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜、原位XRD和Raman等表征技術(shù)揭示了VC-VO異質(zhì)顆粒在富多硫化物電化學(xué)過程中的相演化。含有零價(jià)/低價(jià)金屬原子的VC-VO異質(zhì)顆粒在鋰硫電池中作為硫正極宿主時(shí)，會(huì)發(fā)生部分硫化形成硫化釩。此外，探索了相演化產(chǎn)物對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的影響以及其對(duì)多硫化物的作用方式。密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，硫化釩具有優(yōu)良的電子導(dǎo)電性，加快了總電子傳遞速率，促進(jìn)了硫相關(guān)物種之間的轉(zhuǎn)化，主要作用于液相多硫化物的轉(zhuǎn)化。

圖3.a，b）原位拉曼測(cè)試以及c）相應(yīng)的電壓-容量曲線。d、 e）原位XRD測(cè)試。f）VC-VO/HPC在兩個(gè)恒電流充電/放電周期后的HRTEM圖像和快速傅里葉變換（FFT）。

圖4.a）VC-VO/HPC（循環(huán)5周期）、VC-VO/HPC、HPC（循環(huán)5周期）和HPC的對(duì)稱電池的CV曲線。b）0.1 mV s?1掃描速率下的CV曲線和c）對(duì)應(yīng)的反應(yīng)峰值電壓。d）相應(yīng)的Tafel曲線。g）電化學(xué)過程中VC-VO/HPC的反應(yīng)機(jī)理圖。 要點(diǎn)三：VC-VO/HPC@S電極出色的電化學(xué)能力VC-VO/HPC@S電極在電化學(xué)性能測(cè)試中展現(xiàn)出了優(yōu)異的容量性能(1484 mAh g?1，0.1 C)和超高的循環(huán)穩(wěn)定性(每循環(huán)0.045%的衰減率，5 C)。同時(shí)，采用VC-VO/HPC@S電極的軟包電池提供了出色的能量密度（358 Wh kg?1），并可以在不同彎折程度下進(jìn)行平穩(wěn)地提供電能。

圖5.a，b）VC-VO /HPC@S高硫含量下的循環(huán)性能。c）軟包電池成功點(diǎn)亮燈組。d） 不同彎折情況下點(diǎn)亮LED燈泡。

審核編輯 ：李倩