中科大Nano Lett.：低成本金属碳化物纳米晶用于高性能锂硫电池键合-电催化位点

【引言】

锂硫电池具有理论能量密度高和成本低廉的特性，有望成为理想的新一代能量存储系统。很多学者都致力于通过设计材料纳米结构来提高电池的实际效率和循环稳定性。然而，同时提高锂硫电池的倍率容量和稳定循环性能仍然存在相当的挑战。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学姚宏斌、俞书宏(通讯作者)等人提出了一种利用金属碳化物纳米颗粒修饰碳纳米纤维(MC NPs-CNFs)带来的双重效应制备高倍率性能、低迟滞、长循环稳定性锂硫电池的方法。相关成果以题目“Low Cost Metal Carbide Nanocrystals as Binding and Electrocatalytic Sites for High Performance Li−S Batteries”发表于期刊Nano Lett.上。吸附实验和计算结果表明，多硫化锂适度的化学键合能力使得其可以在金属碳化物纳米颗粒表面发生吸附和扩散行为，同时金属碳化物纳米颗粒的电催化性能可以加速多硫化物的电化学氧化还原反应。该方法制备的锂硫电池电极有比容量高、倍率性能优异和循环稳定性优异等特点，为高性能锂硫电池的研究和发展提供了一定的思路参考。

【图文导读】

图-1. 利用金属碳化物纳米颗粒修饰碳纳米纤维提高锂硫电池性能原理示意图

图-2. MC NPs-CNFs的制备流程示意图和微结构表征

(a) MC NPs-CNFs合成过程示意图;

(b) W₂C NPs-CNFs, Mo₂C NPs-CNFs, TiC NPs-CNFs 的XRD图谱;

(c) W₂C NPs-CNFs的TEM图片(比例尺: 200 nm);

(d) Mo₂C NPs-CNFs的TEM图片(比例尺: 200 nm);

(e) TiC NPs-CNFs的TEM图片(比例尺: 200 nm);

(f) W₂C NPs-CNFs的SEM图片，红点表示MC NPs (比例尺: 200 nm);

(g) Mo₂C NPs-CNFs的SEM图片，红点表示MC NPs(比例尺: 200 nm);

(h) TiC NPs-CNFs的SEM图片，红点表示MC NPs(比例尺: 200 nm)

图-3. 在金属碳化物表面上不同种类硫化物的吸附测试和模拟模型

(a) 不同样品粉末在DOL/DME (1:1, v/v)溶液中对Li₂S₆的吸附性能照片;

(b) 不同种类金属碳化物表面上被吸附的Li₂S₆的ICP-OES分析结果;

(c) W₂C表面上最稳定的Li₂S₆优化后的几何图形以及相应的吸附能;

(d) Mo₂C表面上最稳定的Li₂S₆优化后的几何图形以及相应的吸附能;

(e) TiC表面上最稳定的Li₂S₆优化后的几何图形以及相应的吸附能;

(f) 吸附测试后金属碳化物W_4f的XPS分析光谱；

(g) 吸附测试后金属碳化物Mo_3d的XPS分析光谱；

(h) 吸附测试后金属碳化物Ti_2p的XPS分析光谱

图-4. 利用PS/MC-CNFs电极和PS/CNFs对比电极的循环伏安法定量分析MC NPs的催化活性

(a) PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNF, PS-TiC-CNFs和PS/CNFs电极的CV特征曲线，电压区间：1.8-2.6 V; 扫描速率：0.05 mV s^-1；

(b) 不同非对称锂硫电池的峰值电流密度对比；

(c) 不同非对称锂硫电池的起始电位对比；

(d) 对称Li₂S₆-Li₂S₆电池的CV曲线，电压区间： -0.7−0.7 V；扫描速率：50 mV s^-1

图-5. PS/MC-CNFs和PS/CNFs电极的EIS曲线、充电-放电电压特征曲线、循环特性和倍率特性对比

(a) PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNFs, PS/TiC-CNFs和PS/CNFs的EIS曲线；

(b) 电流密度为0.2 C时，PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNFs, PS/TiC-CNFs和PS/CNFs的充电-放电电压特征曲线；

(c) PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNFs, PS/TiC-CNFs和PS/CNFs的循环特性曲线；

(d) PS/W₂C-CNFs, PS/Mo₂C-CNFs, PS/TiC-CNFs和PS/CNFs的倍率性能对比

图-6. PS/MC NPs-CNFs的循环特性曲线以及W₂C NPs-CNFs循环500次后的形貌表征

(a) 电流密度为1.0 C时PS/MC NPs-CNFs的循环性能对比曲线，(前5圈的活化电流密度为0.2 C);

(b) W₂C NPs-CNFs 在500 次循环后的SEM图片(比例尺: 400 nm)；

(c) W₂C NPs-CNFs 在500 次循环后的TEM图片(比例尺: 200 nm)

【小结】

本文提出了一种低成本、有效提高锂硫电池硫化物电极电化学性能的方法。通过在毛状碳纳米纤维上键合金属碳化物纳米颗粒，可以增加硫化物的附着能力和电催化活性，从而有效提高了活性物质的利用率，促进了多硫化锂的氧化还原动力学。该方法为高性能锂硫电池的研究提供了一定的思路参考。

文献链接：Low Cost Metal Carbide Nanocrystals as Binding and Electrocatalytic Sites for High Performance Li–S Batteries. Nano Lett. (DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04505)

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