VN量子点镶嵌的中空介孔碳球作硫载体应用于锂硫电池正极

背景介绍

对具有可持续性的可再生能源的迫切需求，激发了人们对先进储能系统的探索。近年来，许多远远超出锂离子电池（LIB）的高能量密度的新型储能器件如雨后春笋般涌现。锂硫电池（LSBs）具有成本效益和超高的理论能量密度（2600 W h kg^-1），被认为是锂离子电池的有力竞争者和替代者。然而，硫及其放电产物电导率低，循环时体积变化明显（≈80%）以及由多硫化锂（LiPS）溶解和扩散引起的"穿梭效应"等问题，使锂硫电池循环性能较差，严重阻碍了其实际应用。因此，基于物理限域和化学吸附的硫正极的合理设计对于解决上述问题和实现Li-S电池的更高性能起着至关重要的作用。

图文导读

在此工作中，我们设计并制备了VN掺杂的空心碳球（称为VN-H-C）作为硫载体，其特点是碳壳薄，大的空心内部和均匀镶嵌在壳表面的VN量子点。创造性地使用甲酰胺作为碳和氮源，巧妙利用我们先前研究中报道的独特缩聚反应（Energy. Environ. Sci.2019,12,1317），使合成方法兼具成本效益和实用性。因此，使用VN-H-C作为硫载体组装的Li−S电池具有856.5 mA h g⁻¹的高比容量，并在1 C下循环500次后仍保有602.5 mA h g⁻¹，每个循环的容量衰减率低至0.059%。

Figure 1. (a) Schematic illustration of the synthetic process of the VN-H-C sample, TEM images corresponding to each step of the synthesis: (b)silica sphere,(c)SiO₂@V-N-C,and(d)SiO₂@VNC, and(e)SEM image of sample VN-H-C after etching the silica template.

Figure 2. Electrochemical properties of S@VN-H-C and S@H-C cathodes: (a) rate capabilities of S@VN-H-C and S@H-C cathodes, (b) galvanostatic charge and discharge profiles of cathodes based on S@VN-H-C at different rates, and (c) long-term cycling performance of S@VN-HC and S@H-C cathodes at 1 C.

为了进一步解释其电化学性能优异的内在原因，我们探讨了电池循环过程中S@VN-H-C电极的结构演变和化学状态的变化，以及VN-H-C对氧化还原动力学的贡献。这些结果表明，介孔空心碳球有利于加快Li⁺/e⁻转移并提高硫载量。此外，VN量子点显著加快了LiPS的吸附-催化-转化过程.正是合理的正极设计提高了锂硫电池的长循环可逆性和稳定性。

Figure 3. (a) UV−vis absorption spectra and photographs of (A) Li₂S₆ solution after adsorption by (B) AC, (C) H-C, and (D) VN-H-C, (b) N 1s XPS spectrum of VN-H-C samples, (c) S 2p and (d) V 2p XPS spectra of the S@VN-H-C electrode before and after 500 cycle, and (e and f) potentiostatic discharge profiles of a Li₂S₈/tetraglyme solution at 2.05 V on H-C and VN-H-C surfaces.

结合优良的空心结构、VN量子点和介孔碳球的优势，以VN-H-C为硫载体组装的锂硫电池具有长循环寿命和稳定性，其合成策略具有成本效益，环境友好性和广泛适用性。本文为今后锂硫电池正极结构设计的合理化与整合提供了参考思路和方法。

文献信息

通讯作者为北京化工大学的刘文教授、孙晓明教授、常峥副教授。北京化工大学孙晓明课题组硕士生乔璐为第一作者。感谢课题组的老师和同学们对本工作的支持与帮助，感谢基金的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c00716