成果简介
寄生穿梭效应和缓慢的多硫反应动力学严重削弱了锂硫（Li-S）电池的性能，尤其是容量保持率和循环性能。本文，西安建筑科技大学乔明涛 副教授团队、西北工业大学雷星锋等在《Ind. Eng. Chem. Res》期刊发表名为“Hollow Urchin-like Ni–Co MOF and RGO Synergistically Functionalizing the Separators for High-Performance Li–S Batteries”的论文，研究首先开发了一种中空海胆状 Ni-Co MOF，并将其与还原氧化石墨烯（RGO）耦合，对商用聚丙烯隔膜进行了改性。锂-S 电池的电化学性能得到了很大改善。在0.1 C时，初始容量可达1385mAh g-1，在1C时循环300次后，容量仍能保持在680 mAh g-1（库仑效率为 89.3%），且每循环容量衰减率仅为0.036%。
然后，对聚丙烯和改性分离器进行比较，发现了可能的增强机制。首先，改性分离器具有更好的电解质润湿性和更高的孔隙率，这两点都有利于提高传质效率。其次，中空的海胆状 Ni-Co MOF 可为多硫化物提供丰富的吸附和催化位点，从而抑制穿梭效应。第三，RGO 纳米片不仅能防止 Ni-Co MOF 的聚集，还能提供良好的电子传导性。此外，CV 和 LSV 曲线也证实了改性分离器卓越的化学反应动力学性能。因此，将中空海胆状 Ni-Co MOF 和 RGO 协同功能化商用聚丙烯隔膜可获得高性能的锂离子电池。
图文导读
图1：（a-e）NCM37的SEM图像和EDS图谱；（f）NCM37的TEM图像；（g,h）NCM55 的 SEM 图像；（i,j）NCM73的SEM图像；（k）RGO的TEM图像；（l）NCM37、NCM55和NCM73的XRD图样。
图2. NCM37 的 XPS 图样：(a) 调查光谱，(b) C 1s，(c) N 1s，(d) O 1s，(e) Ni 2p 和 (f) Co 2p。
图3. NCMGP37分离器的扫描电镜图像
图4. 不同隔膜的电解质润湿性
图5. (a) 装有不同隔膜的锂硫电池的速率性能。(b) 奈奎斯特图。(c) 不同样品在 0.2C时的初始状态充放电曲线。(d) 装有不同隔膜的锂硫电池在 1C时的循环特性。
图6. (a) NCMGP37 和 (b) PP 电池在不同扫描速率下的 CV 曲线，以及 (d) NCMGP37 和 (e) PP 电池的峰值电流 (Ip) 与扫描速率平方根 (v0.5) 之间的相应线性关系。(c) NCM37/RGO-CP 和 CP 电池的 LSV 曲线和 (f) 塔菲尔斜率。
图8. 放电-充电循环后（a-d）PP 和（e-h）NCMGP37 隔膜的 SEM 和 EDS 图像。(i) 使用 PP 和 NCMGP37 隔膜的对称电池在 0.7 mA cm-2 下的锂沉积/剥离性能。
小结
综上所述，通过溶热法制备了三种Ni-Co MOF颗粒，它们由无数针状纳米棒组装而成。调整 Ni2+ 和 Co2+ 的摩尔比可以控制纳米棒的长度甚至表面形态。当 Ni2+ 与 Co2+ 的摩尔比为 3:7 时，就得到了空心海胆状 Ni-Co MOF。中空海胆状 Ni-Co MOF 与 RGO 纳米片一起改性了商用聚丙烯隔膜，使锂离子电池的电化学性能更加优异。在 0.1C下，初始容量可达1385mAh g-1，在1C下循环 300 次后，容量仍能保持在 680 mAh g-1（库仑效率为 89.3%），且每循环的容量衰减率仅为 0.036%。改性层的引入改善了分离器的多种性能，包括孔隙率、电解质润湿性、锂迁移数、离子导电性和在电解质中的稳定性。此外，中空的海胆状 Ni-Co MOF 还能为多硫化物提供丰富的吸附和催化位点，抑制穿梭效应。RGO 纳米片不仅防止了 Ni-Co MOF 的聚集，而且还提供了良好的电子传导性。CV和LSV曲线证实了改性分离器卓越的化学反应动力学性能。这些因素验证了中空海胆状 Ni-Co MOF和RGO协同功能化商用聚丙烯隔膜有利于提高Li-S电池的电化学性能。
文献：https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c02291
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