成果简介
锂硫（Li-S）电池被认为是下一代储能系统的理想候选电池。然而，由于其缓慢的动力学和穿梭效应，其商业应用受到严重限制。本文，北京航空航天大学张世超 教授/邢雅兰 副教授在《Energy Stor. Mater》期刊发表名为“Self-Assembled 3D CoSe-based Sulfur Host Enables High-Efficient and Durable Electrocatalytic Conversion of Polysulfides for Flexible Lithium-Sulfur Batteries”的论文，研究为锂-硫电池设计了一种具有 “点-线-面 ”三维多孔结构的独立功能性 CoSe-CNF-GO-MXene (CCGM) 硫宿主。二维（2D）石墨烯、MXene 和一维（1D）纳米纤维素纤维与零维（0D）过渡金属硒（CoSe）相结合，分别显示出良好的导电性和更强的催化性能。
此外，合理设计的多孔结构（从零维到三维）展示了连接良好的离子/电子传输通道，从而赋予其良好的动力学性能。电化学测试表明，吸附能适中的 CoSe 催化材料可以催化 Li2S 的沉淀和溶解过程，实现快速转化动力学。密度泛函理论（DFT）计算表明，CoSe、Ti3C2Tx 和石墨烯的协同效应可提高化学吸附和催化性能。因此，三维多孔 S@CCGM 阴极在 0.2C时的初始放电容量高达1205.1 mAh g-1，并且具有良好的长期循环性能，在1C时每循环衰减率低至0.055%。此外，凝胶电解质Li-S 袋电池还成功通过了0-180° 弯曲测试、钉牢测试和切割测试。此外，凝胶电解质Li-S 袋电池还成功通过了0-180° 弯曲测试、钉牢测试和切割测试。这种设计为安全灵活的电化学储能设备（尤其是Li-S 电池）的商业化提供了新的前景。
图文导读
图1.3D CCGM气凝胶合成过程示意图。
图2. The crystal structure of (a) CoSe. Optimized Li2S6 adsorbed configurations on the surfaces of (b) CoSe, (c) graphene, and (d) MXene. TEM image of (e) CCGM. The inset (f) exhibits the SAED pattern. HRTEM images (g) and the inset (h) exhibits the corresponding IFFT patterns of CCGM.HAADF-STEM image (i) and its corresponding EDS elemental mapping of Ti, Co, Se. Optical images of (j) CCGM aerogel and (k) the bending test. SEM images of (l) CoSe nanoparticles. (m) Raman spectra and (n) FT-IR spectrum of CGM and CCGM. (o) Ti 2p of CGM and CCGM, (p) Co 2p of CCGM.
图3. The charge density difference of (a) CoSe. The positive and negative areas are indicated by yellow and blue, respectively. (b) Relative Gibbs free energy profiles for the reduction of LiPSs on CoSe, graphene, and MXene substrates. (c) The binding energies of different sulfur species adsorbed on CoSe, graphene, and MXene substrates. (d) Tafel plots of CGM and CCGM electrodes. (e) CV curves of symmetric cells with different electrodes at the scan rate of 1 mV s-1. (f) The redox reaction polarization values column of the symmetric cells. The Li2S precipitation of (g) CCGM and (h) CGM. (i) The CV fitting plots of peak-Ⅲ current (Ip) versus the square root of the scan rate for S@CGM and S@CCGM electrodes. (j) The ions diffusion rates of different electrodes. (k) GITT voltage curves of S@CCGM.
图4. S@CCGM 和 S@CGM 阴极的电化学特性。
图5. 基于 S@CCGM的Li-S柔性袋电池的示意图和性能
小结
总之，我们通过一种简单高效的策略，合理地设计出了用于锂-S 电池的 “点-线-面 ”三维多孔导电硫宿主。三维多孔 SHS CCGM 可以加速离子/电子的传输和电解液的渗透。此外，OD CoSe 纳米粒子通过形成锂-硒键有效地锚定了锂离子电池，从而防止了多硫化物的穿梭效应。Li2S 的沉淀和溶解实验证实，CoSe 在 Li2S 的沉淀和溶解过程中具有良好的催化特性，从而大大提高了氧化还原的动力学性能。DFT计算表明，CoSe、Ti3C2Tx 和石墨烯的协同作用可以改善 LiPSs 的化学吸附和催化效果。在这种设计下，S@CCGM 阴极在 0.2C 电流密度下的初始容量为 1205.1mAh g-1，在1C下循环1000次后，每循环衰减率低至0.055%。此外，基于凝胶电解质的柔性袋式电池显示出良好的柔韧性和安全性能。这项研究有望为高性能柔性Li-S 电池硫宿主的合理设计提供新的见解。
文献:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103652
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