2D MoN-VN異質(zhì)結(jié)構(gòu)控制多硫化物用于高效鋰硫電池

diang

2018年11月29日 11:00

【引言】

與鋰離子電池相比，鋰硫電池具低成本和低污染的特點(diǎn)，理論比容量高達(dá)~1675 mA h g^-1。然而，中間體多硫化鋰（LiPoSs）的溶解度較低，導(dǎo)致Columbic效率低和容量衰減快。此外，由于缺乏理論指導(dǎo)，原子級LiPoSs對硫主體的吸附行為難以研究，顯著阻礙了硫主體的設(shè)計(jì)和開發(fā)。由于缺乏對異質(zhì)結(jié)構(gòu)硫主體上LiPoSs吸附行為的原子級理解，LiPoSs吸附增強(qiáng)的起源很難闡明，但是它們含有均勻暴露的晶格，二維（2D）硫主體材料可以作為密度泛函理論（DFT）計(jì)算的理想模型-處理LiPoSs吸附能和吸附位點(diǎn)的識別。迄今為止，缺乏合適的2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型硫主體，導(dǎo)致DFT計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的弱聯(lián)系。因此，需要具有2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合理計(jì)算模型，以深入了解LiPoS吸附來源，指導(dǎo)硫主體材料的設(shè)計(jì)以獲得更好的性能。在這項(xiàng)工作設(shè)計(jì)并制造了一種新的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)MoN-VN作為模型硫主體，以調(diào)節(jié)LiPoS并獲得對雙組分材料上LiPoSs吸附行為的原子級理解。

【成果簡介】

近日，澳大利亞阿德萊德大學(xué)的喬世璋和華南理工大學(xué)的王海輝（共同通訊）作者等人，研究了二維（2D）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的MoN-VN作為新型硫主體的結(jié)構(gòu)和性能特征。理論計(jì)算表明，可以通過摻入V來調(diào)整MoN的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)的多硫化物吸附。另外，原位同步X射線衍射和電化學(xué)測試，揭示了MoN-VN中多硫化物的有效調(diào)節(jié)和利用。在2 C下，MoN-VN鋰硫電池的容量為708 mA h g^-1，循環(huán)500圈時(shí)，每個(gè)循環(huán)的容量衰減低至0.068％，其硫載量為3.0 mg cm^-2。相關(guān)成果以“2D MoN-VN Heterostructure to Regulate Polysulfides for Highly Efficient Lithium-Sulfur Batteries”為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1 MoN-VN的結(jié)構(gòu)表征

2D MoN-VN異質(zhì)結(jié)構(gòu)控制多硫化物用于高效鋰硫電池的圖1

（a）MoN-VN的AFM圖像；

（b）MoN-VN的HAADF-STEM圖像和其對應(yīng)的mapping圖；

（c，d）MoN-VN的HAADF-STEM的圖像。

圖 2 MoN-VN的光譜分析圖

2D MoN-VN異質(zhì)結(jié)構(gòu)控制多硫化物用于高效鋰硫電池的圖2

（a）MoN-VN和MoN的同步NEXAFS Mo LIII邊緣和LII邊緣光譜圖;

（b）MoN，MoN-VN和MoN-VN LiPoS的Mo 3d XPS光譜圖（紅色，藍(lán)色，綠色和灰色曲線分別對應(yīng)Mo³⁺，Mo⁴⁺，Mo⁵⁺和Mo⁶⁺）。

圖 3 S/MoN-VN、MoN-VN、MoN的電池性能圖

2D MoN-VN異質(zhì)結(jié)構(gòu)控制多硫化物用于高效鋰硫電池的圖3

（a）兩個(gè)硫電極的倍率性能；

（b）S/MoN-VN的不同速率的放電/充電曲線圖；

（c）S/MoN-VN的不同速率的CV曲線圖；

（d）MoN-VN/LiPoS/MoN-VN和MoN/LiPoS/MoN對稱電池的阻抗圖；

（e-f）在1C，2C的電流密度下，兩個(gè)硫電極的循環(huán)性能和CE圖。

圖 4 DFT計(jì)算V-MoN和MoN的性能表征圖

2D MoN-VN異質(zhì)結(jié)構(gòu)控制多硫化物用于高效鋰硫電池的圖4

（a-d）V-MoN-Li₂S₂，V-MoN-Li₂S₄，MoN-Li₂S₂和MoN-Li₂S₄的結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖（綠色，紅色，紫色，黃色和藍(lán)色球體代表Mo，V，Li，S和N）；

（e）V-MoN和MoN表面上Mo的DOS圖；

（f）S/MoN-VN的原位同步XRD等高線圖與相應(yīng)的放電曲線圖。

【小結(jié)】

本文采用2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)MoN-VN作為硫主體，來調(diào)節(jié)硫化鋰，計(jì)算獲得MoN-VN上吸附硫化鋰的原子級原因。通過原位同步XRD證實(shí)，2D MoN-VN異質(zhì)結(jié)構(gòu)與2D MoN相比，具有更高的硫利用效率。根據(jù)DFT計(jì)算，MoN的電子結(jié)構(gòu)可以通過摻入V來調(diào)控，從而增強(qiáng)對多硫化鋰的吸附能力。因此，MoN-VN鋰硫電池具有高的充電/放電容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為異質(zhì)結(jié)構(gòu)硫主體材料中多硫化物吸附的起源提供新的見解。此外，這種新的2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料有望刺激更多的2D雜化材料，這些材料可能應(yīng)用于其他能量儲存設(shè)備。

文獻(xiàn)鏈接：2D MoN-VN Heterostructure to Regulate Polysulfides for Highly Efficient Lithium-Sulfur Batteries（Angew, 2018, DOI: 10.1002/anie.201810579）。

來源：材料人

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