【原】复旦&西安工大《AFM》：一种碳纳米管用于高性能锂硫电池！

锂硫电池（Li-S）具有能量密度高、材料成本低、环境友好等优点，被认为是锂离子电池（LIB）的一种很有前途的替代品。然而，由于硫和放电产物（Li₂S₂/Li₂S）的电绝缘特性、缓慢的硫氧化还原反应、多硫化物的穿梭效应以及运行期间的巨大体积变化会导致低硫利用率和快速容量衰减，严重阻碍了锂硫电池的实际应用。因此，锂硫（Li-S）电池的电化学性能受到缓慢的硫氧化还原动力学和锂多硫化物（LiPS）穿梭效应的严重阻碍。

 

为应对这一挑战，来自复旦大学和西安工业大学的学者制备了一种由Co纳米颗粒和单原子Zn-Co注入氮掺杂的碳纳米管多孔碳纳米片的复合催化剂-Zn@NC/碳纳米管（CNT）。实验和理论研究表明，具有最佳电荷再分配的Co和Zn-N₄原子部分的协同双活性中心不仅能强烈对抗LiPS，而且能有效地催化其转化反应，降低Li₂S₂到Li₂S的势垒，同时N掺杂的多孔碳接枝碳纳米管具有更大的表面积，可用于更活跃的部位暴露，并提供快速电子/离子通道。得益于该协同效应，配备Co/SA-Zn@N-碳纳米管基硫负极的锂硫电池的可逆容量高达1302 mAh g⁻¹（在0.2 C下），在1C持续800个循环之后，每个循环的容量衰减率为0.033%。此外，该电池在硫含量为5.1 mg cm⁻²和在0.2 C下具有4.5mAh cm⁻²的高面积容量。本研究为锂硫电池高性能硫基负极的设计提供了新的思路。相关文章以“Implanting Single Zn Atoms Coupled with Metallic Co Nanoparticles into Porous Carbon Nanosheets Grafted with Carbon Nanotubes for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https:///10.1002/adfm.202200424

 

图1. a）Co/SA-Zn@N-C/CNTs的合成工艺示意图。b、 c）FESEM图像，和d，e）Co/SA-Zn@N-C/CNTs的TEM图像。f–i）Co/SA-Zn@N-C/CNTs的HAADF-STEM图像和j）Co/SA-Zn@N-C/CNTs复合材料中的C、N、Co和Zn的对应元素映射。

 

图2. a）Co/SA-Zn@N-C/CNTs和SA-Zn@N-C的XRD图谱。Co/SA-Zn@N-C/CNTs的b）Co2p，C）Zn 2p和d）N 1s的XPS光谱。e）Co/SA-Zn@N-C/CNT、CoO和Co箔的K-edge氧烷光谱和f）傅里叶变换。g） Zn的 K-edge XANES光谱和h）FT/SAZn@N-碳纳米管、氧化锌和锌箔。

 

图 3. a）S@Co/SA-Zn@N-C/CNTs在不同电流速率下的充放电量。b） S@Co/SA-Zn@N-C/CNTs、S@Co@N-C/CNTs、S@SA-Zn@N-C 和 S@N-C 在各种电流速率下的速率性能。S@Co/SA-Zn@N-C/CNTs在c） 0.2 C 和 d） 1 C 时的循环稳定性。e） 将S@Co/SA-Zn@N-C/CNTs的剩余容量、容量衰减率和循环次数与先前报道的负极进行比较。

 

图 4.a）S@Co/SA-Zn@N-C/CNTs、S@Co@N-C/CNTs、S@SA-Zn@N-C 和 S@N-C 电极的 CV 曲线，扫描速率为 0.1 mV s⁻¹。b） （a）图中用红色线条标记的反应的推导 Tafel 图。c）S@Co/SA-Zn@N-C/C、S@Co@N-C/CNTs、S@SA-Zn@N-C和 S@N-C 电极在 0.2 C 下的充放电情况。d） Q2/Q1的比率。e） Co/SA-Zn@N-C/CNTs、f） Co@N-C/CNTs、g）S@SA-Zn@N-C 和 h） S@N-C 的对称电池的 CV 曲线，扫描速率为 0.1 mV s⁻¹。

 

图 5.a）Co/SA-Zn@N-C/CNTs的优化配置。b)Co/SA-Zn@N-碳纳米管，Co@N-C/CNTs，SA-Zn@N-C上的多硫化物还原的能谱。c）SA-Zn@N-C、 d）Co@N-C/CNTs和e）Co/SA-Zn@N-C/CNTs上的Li₂S的分解势垒。f） 在底部视图中模拟了SA-Zn@N-C和Co/SA-Zn@N-C/CNTs的变形电荷密度。

 

总之，本文创新性地开发了Co/SA-Zn@N-C/CNT催化锂硫电池中的多硫化物转化过程。强耦合的钴纳米颗粒和原子Zn-N₄部分将诱导电荷再分配和有利的电子结构，从而有效地整合LIPSs，并通过降低从Li₂S₂到Li₂S的势垒来催化其转化反应。而与原位生成的碳纳米管接枝的多孔碳纳米片结合了2D和1D结构的优点，为更多活性位点的暴露提供了较大的表面积，并为快速电子/离子转移提供了良好的导电网络。因此，由Co/SA开发的锂硫电池-Zn@N-C/CNTs复合催化剂具有优异的电化学性能，其容量高达1302 mAh g⁻¹(在0.2C度时)，容量衰减率超低（在1C下超过800个周期，每个周期为0.033%）。这项工作可能为TM/碳催化剂向实用锂硫电池的发展提供新的指导。（文：SSC）

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