兰州大学《Chemistryselect》：La2O3纳米粒子和石墨烯在先进锂硫电池中的协同作用

成果简介

锂硫电池作为下一代储能装置的的替代品，在长期运行和高质量负载下存在多硫化物穿梭和固有的缓慢动力学，这主要是由于缺乏可用的固定剂和转换介质。本本文，兰州大学Dequan Liu、贺德衍教授团队在《Chemistryselect》期刊发表名为“The Synergy of La2O3 Nanoparticles and Graphene for Advanced Li-S Batteries”的论文，研究设计了锚定在石墨烯复合材料上的La2O3纳米粒子，并展示了一种高性能的硫固定剂和转化促进剂。受益于该复合材料，相应的 Li-S 电池表现出良好的循环稳定性（500 次循环后容量衰减率为0.051%/循环）、高初始比容量（0.2Ag-1时为1423.7mA hg-1）和优异的循环性能在高硫负荷（5.03mg cm-2）。实验和密度泛函理论（DFT）计算结果表明，La2O3纳米粒子是一种理想的隔膜改性材料，可以通过 S-La 和 Li-O 化学键有效地调节与多硫化物的吸收和转化相互作用。

图文导读

图1、(a) La2O3 /石墨烯复合材料的SEM图；(b) La2O3纳米粒子的HRTEM图像。(c/d) 制备的La2O3/石墨烯复合材料的SEM和 HRTEM 。(e) La2O3 /石墨烯复合材料的SEM图像和相应的元素图。(f) La2O3/石墨烯复合材料涂层隔膜的横截面SEM图像和相应的元素映射。

图2、(a-c) La2O3纳米粒子和La2O3/石墨烯复合材料的XRD图谱、拉曼光谱和N2吸附-解吸等温线和孔径分布。(d) La2O3/石墨烯样品的TGA曲线。(e) La2O3中的高分辨率 La 3d XPS光谱。(f) 电解质与原始PP或 La2O3/石墨烯涂层隔膜之间的接触角。

方案一、(a) La2O3/石墨烯改性层的示意图。(b) Li-S电池的全电池配置。

图3、(a) Li2S6在La2O3和 La2O3 /石墨烯上的静态可视化吸附测试演示。(b) 循环后改性隔膜的SEM 图像和 (c) 相应的元素映射。(d) La 2 O 3纳米粒子的XPS光谱。(e) La 3d, (f) O1s, (g) S2p 和 (h) Li 1s循环后La 2 O 3的高分辨率XPS光谱。(i) 显示 LiPS 在 La2O3表面上的快速氧化还原动力学的示意图。

图4、(a)La2O3/石墨烯的循环性能，硫负载量为3.13 mg cm -2在0.5A g -1和4.64 mg cm -2在1.0A g -1。(b)La2O3 /石墨烯的循环性能。(c)保护锂负极的La2O3 /石墨烯改性层示意图。(d-e) 锂板有无La 2 O 3的数字视图和SEM图像/石墨烯改性层。(f) 电流密度为2mA cm -2和容量密度为5 mA h cm-2的Li-Li 对称电池曲线。(g) La2O3 /石墨烯改性隔膜在1.0A g -1下的循环性能和库仑效率。

小结

总之，本文将La2O 3纳米颗粒嵌入到高导电石墨烯中作为催化涂层，具有强大的长期循环稳定性、优异的高倍率性能和快速的氧化还原反应动力学，这可以归因于共存在此设计的夹层中具有化学固定和物理屏障。超薄石墨烯衬底具有较大的比表面积，有利于电子的迁移，提高硫的利用率，同时引入 La 2 O 3纳米粒子被发现在加速反应动力学和抑制 LiPSs 穿梭过程中起着至关重要的作用。随着协同工程的成功引入，作者相信，使用兼具高导电性和催化活性的稀有金属氧化物-碳剂复合材料可能会为锂硫电池的安全应用开辟一条新途径。在不久的将来生产和高效利用锂硫电池。

导师简介：

贺德衍，男，汉族，1962年12月生，陕西省武功县人，中共党员，博士，教授(二级）。现任兰州大学校长助理。

1982年毕业于兰州大学物理系半导体物理专业，获理学学士学位；1985年毕业于兰州大学物理系固体物理专业，获理学硕士学位；1995年毕业于日本东京工业大学综合理工学研究科电子化学专业，获工学博士学位。1995-1996在日本东京工业大学大学院从事博士后研究；1997-1998年在加拿大曼尼托巴大学物理系做高级访问学者。

1999年5月任物理科学与技术学院副院长，2002年5月任院长；2004年12月任研究生院常务副院长，兼党委研究生工作部部长；2007年11月任重点建设处处长，兼“211工程”、“985工程”办公室主任；2013年8月任发展规划处处长，兼“211工程”、“985工程”办公室主任；2014年12月任校长助理。

长期从事电子和能源材料及其器件的研究与开发。截至目前（2015.11.30），主持完成了国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金面上项目（5项）、教育部博士点基金项目（2项）、教育部“高校青年教师奖”项目等20余项；获甘肃省科技进步一等奖一次，二等奖两次，三等奖一次，获国家教委科技进步三等奖一次；获甘肃省教学成果一等奖两次、二等奖一次；共发表SCI论文210余篇，被SCI论文引用2530余次（根据ISI Web of Knowledge数据库）。

文献：https://doi.org/10.1002/slct.202104328