扬州大学庞欢教授团队：过渡金属化合物中O、S和P对锂硫电池中硫阴极吸附和催化能力的影响

CBG资讯 · 公众号 · · 2024-05-30 17:18

正文

导语

目前，开发高能量密度的先进电能存储设备已成为研究热点。锂硫（Li-S）电池因其高理论比容量（1675 mA h g ^-1 ）和能量密度（2600 W h kg ^-1 ）而被视为满足未来需求的最有前途的替代品之一。但是Li-S电池的发展受到低电导率、穿梭效应及动力学缓慢等问题的限制。为了解决这些问题，已经提出了许多策略来设计和构建硫宿主。碳材料是应用最广泛的，但由于极性多硫化锂（LiPS）和非极性碳之间的范德华相互作用较弱，对LiPS的物理限制是有限的。近年来，对具有催化效应的极性材料（如过渡金属氧化物、磷化物和硫化物）进行了研究，来抑制LiPS穿梭并改善反应动力学。然而，这些极性主体对多硫化物的吸附强度和催化能力仍不明确。因此，探索过渡金属化合物中O、S和P对硫阴极吸附和催化能力的影响具有重要的意义（图1）。

图1. 探究金属氧化物、硫化物和磷化物对吸附和催化能力影响的意义（来源： Chemical Science ）

近期， 扬州大学庞欢教授课题组 揭示了阴离子物种和 Li-S电池性能之间的关系。研究结果表明，与O和S掺杂的过渡金属化合物相比，P掺杂的过渡金属化合物更有利于抑制穿梭效应并改善反应动力学。此外，在影响 Li-S 电池性能的因素中，催化能力比吸附能力更占主导地位，为使用O、S和P掺杂的过渡金属化合物作为功能性硫载体提供了新的见解。相关研究成果发表在 Chemical Science （DOI: 10.1039/d4sc01628a）。

前沿科研成果

过渡金属化合物中 O、S和P对锂硫电池中硫阴极吸附和催化能力的影响

本工作以FeCoNi-PBA纳米立方体作为前驱体可控合成了三种金属化合物，包括金属氧化物（FeCoNiO）、金属硫化物（FeCoNiS）和金属磷化物（FeCoNiP）。形貌表征显示FeCoNiO保留了原始的立方形态且具有断裂的表面，FeCoNiS也保留了原始的立方形态且其表面上具有丰富的颗粒，FeCoNiP在其立方体的八个角处具有轻微截断的结构和断裂的表面（图2）。

图2. FeCoNiO 、Fe CoNiS 和Fe CoNiP的合成流程图以及电镜表征（来源： Chemical Science ）

通过载硫前后的XPS分析发现，FeCoNiP和FeCoNiO中出现了新的M-S组分，而FeCoNiS中M-S组分的强度没有表现出增加的趋势，说明FeCoNiS与硫分子之间的相互作用较差。此外，FeCoNiP-S的S 2p光谱显示了更清晰的S-M信号，证实了FeCoNiP和硫是强化学键合的。这说明了三种金属化合物与硫分子之间的相互作用（图3）。

图3. FeCoNiO、FeCoNiS和FeCoNiP的红外、拉曼、XPS等表征分析（来源： Chemical Science ）

不同扫速的循环伏安测试显示FeCoNiP-S正极的斜率大于FeCoNiO-S和FeCoNiS-S 正极的斜率，这证实了Li ⁺ 在FeCoNiP-S阴极中的扩散速率更快，LiPS转化更有效。循环性能、倍率性能、阻抗等电化学测试表明，Li-S性能顺序依次为：FeCoNiP > FeCoNiS > FeCoNiO （图4 ）。对不同煅烧时间的金属化合物进行Li -S 电池测试，进一步证明了这一点。另外，通过对部分煅烧的复合材料进行Li -S电池测试，发现较低的氧化程度和较高的硫化、磷化程度有利于实现高Li -S电池性能。