基于低维材料构筑锂硫、锂硒、钠硒电池正极材料及其电化学研究

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可充电锂离子电池(LIBs)是便携式电子设备应用和大规模储能的关键电源。基于传统金属氧化物(例如,Li Co O2,Li Mn2O4,Li Fe O4等等)正极的LIBs,以及低理论比能量密度的石墨负极无法满足电动汽车(EVs)和电网能源的需求。锂硫电池(LSBs)因其具有高的理论比容量(1675 m A h g-1)和高的能量密度(2600 W h kg-1)引起了人们的极大兴趣,被认为是下一代最有前途的可充电电池之一。此外,硫具备成本低、储量大、环保等优点。然而,LSBs的实际应用一直受到两个棘手问题的阻碍:(1)硫具有较低的电导率(25℃时为5×10-30 S cm-1),导致电极中硫的利用率低。(2)充放电过程中形成的可溶性多硫化物(Li PSs)中间产物可溶解在醚类电解液中,造成穿梭效应,导致容量迅速降低。解决这些问题的策略多种多样,包括构建高效硫正极、优化电解液、引入功能层以及保护锂负极。在此,我们报道了一种新型的Janus电极作为LSBs自支撑正极材料,其一侧是Fe3C纳米颗粒修饰的一维氮掺杂碳纳米纤维(Fe3C/N-CNF),另一侧是2D还原氧化石墨烯(RGO)。该Fe3C/N-CNF@RGO集成电极结合了物理约束、化学吸附和催化等功能。极性Fe3C通过捕获可溶性Li PSs,催化其原位氧化还原转化来加快Li-S的反应过程。而2D RGO层物理地阻挡了正极侧的活性Li PSs。这增强了锚定Li PSs的作用,改善了氧化还原动力学,大大抑制了Li PSs的穿梭效应。同时,一维N-CNF和二维RGO相互连接的导电网络结构加速了电子和离子的转移,也保证了载硫和适应循环过程中硫体积变化。因此,该电极实现了优异的电化学性能:Fe3C/N-CNF@RGO/S正极在0.2 C循环100圈后,可逆容量达到1154.5 m A h g-1。在2.0 C时的比容量为821.7 m A h g-1。在0.5 C时,循环300圈,单圈衰减率仅为0.0089%。6.29 mg cm-2的高硫载量下,可得到4.96 m A h cm-2的高面积容量。近年来,人们致力于探索新型电极材料。硒由于具有与硫相似的化学性质,且具备较高的电子导电率(1×10-3S m-1)和理论容量(3253 Ah L-1),被认为是锂硒电池(LSe B)最有前途的电极材料。此外,钠硒电池(Na Se B)由于钠含量高、成本低、对环境无害等优点,最近获得了人们的广泛关注。然而,与S类似,Se正极也存在循环性能差和库仑效率低的问题,这与高阶多硒化物(M2Sen,M=Li,Na;3≤n≤8)的溶解有关。在此,我们提出了一个简单和可扩展的策略来设计多孔氮掺杂碳纳米纤维/硒@MXene(PNCNF/Se@MXene),优越的电化学性能指标源于该电极的以下优点:(i)多孔三维互联的PNCNF框架显著提高了电子和Na离子传输,从而呈现出高功率密度;(ii)相互交织的CNF具有优化的微孔和介孔,允许高硒负荷;(iii)MXene可提供锚定多硒化物位点,抑制其穿梭,实现高比容量。
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