成果简介
锂硫（Li-S）电池因其在众多储能动力设备中具有较高的理论比容量和能量密度而备受关注。然而，锂硫电池内部发生的多硫化锂溶解穿梭会导致容量下降和循环稳定性不足。本文，华南师范大学Yi Wang、《J RARE EARTH 》期刊发表名为“Modification of separators with neodymium oxide/graphene composite to enhance lithium-sulfur battery performance”的论文，研究提出了一种解决上述问题的措施，即在Li-S电池中使用Nd2O3/石墨烯复合材料对隔膜进行改性。石墨烯的特殊化学特性和结构使其成为Li-S 电池的绝佳选择。
同时，由于Nd2O3的电负性低，与多硫化锂的结合亲和力强，具有路易斯酸性，可与强Lewis’s 碱性的多硫化锂形成强烈的相互作用。利用这些优势特性，组装了 Nd2O3修饰还原氧化石墨改性聚丙烯隔膜（Nd2O3/RGO/PP）的Li-S电池表现出了出色的电化学性能，包括在2C条件下1000次循环期间仅有 0.0525% 的容量衰减率，即使在3C条件下也能达到614mAh/g的优异速率性能。
图文导读
图1. 采用 Nd2O3/RGO 改性隔膜吸附和转化多硫化物的锂-S 电池示意图。
图2、三维结构Nd2O3/RGO的形态和微观
图3. (a) Nd2O3/RGO 和 RGO 的 XRD 图；(b) Nd2O3/RGO 的拉曼光谱；(c) Nd2O3/RGO 和 RGO 的 N2 吸附-解吸等温线；Nd2O3/RGO 的 Nd 3d (d)、C 1s (e) 和 O 1s (f) XPS 光谱；分别与 PP (g)、RGO/PP (h) 和 Nd2O3/RGO/PP (i) 的电解质接触角。
图4. (a) PP、RGO 和 Nd2O3/RGO 实验测试数据的 EIS 图；(b) PP、RGO 和 Nd2O3/RGO 拟合数据的 EIS 图（插入图：简单电路图）；(c) 扫描速率为 0. 1 mV/s 的第一周期 CV 曲线；(d) Nd2O3/RGO 的第一周期至第三周期 CV 曲线；(e) 0.2C下的静态充放电曲线；(f) 0.2 C 下 PP、RGO 和 Nd2O3/RGO 的长期循环性能。
图5. 采用 Nd2O3/RGO（a）、RGO（b）和 PP（c）隔膜的电池在不同扫描速率下的 CV 曲线；Nd2O3/RGO（d）、RGO（e）和 PP（f）的峰值电流与 v0.5v0.5 的关系
图6.（a） Nd2O3/RGO、RGO和PP在不同电流密度下的倍率能力；（b） Nd2O3/RGO隔膜电池在不同电流下的放电-充电曲线；（c） Nd2O3/RGO、RGO和PP在0.5℃下的长期循环性能；（d） 在0.1℃下具有高硫负载的长期循环性能；（e） Nd2O3/RGO、RGO和PP在2℃下的长期循环性能。
小结
综上所述，Nd2O3修饰的纳米多孔材料使用简单的水热反应涂覆在聚丙烯上组装了Li–S电池。其中，Nd2O3中未填充的4f空位可促进电子传输，加速多硫化物的催化转化，加快电池反应动力学。更重要的是，多硫化物可以被材料结构网络中丰富的多硫化物催化中心有效转化和吸收，从而对穿梭效应产生强烈的抑制作用。因此，研究发现，采用 Nd2O3/RGO 能显著提高电池的循环性能。该电池在1C速率下的初始比容量高达936 mAh/g，循环500次后的最小容量衰减率仅为0.0667%。此外，即使在要求更高的2C速率下，该电池也能保持 879mAh/g的高初始放电比容量，1000次循环后的容量为417mAh/g。观察到的每周期容量衰减值低至 0.0525%，令人印象深刻。这些发现凸显了利用稀有金属氧化物进行隔膜改性的潜力，并为提高Li-S电池的性能提供了新的见解。
文献：https://doi.org/10.1016/j.jre.2023.09.006
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