NiS2/ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)鋰-氧電池中類環(huán)狀Li2O2沉積
發(fā)布時間：2020-09-03 作者：harry 分享到：
在下一代儲能器件中，非質(zhì)子系鋰-氧（Li-O2）電池由于其理論能量密度可達(dá)3500 Wh/kg而獨(dú)具優(yōu)勢。然而，在非質(zhì)子系中放電產(chǎn)物過氧化鋰（Li2O2）具有固有的絕緣性和不溶性，使得Li-O2電池的輸出容量低、倍率性能差、循環(huán)壽命短，嚴(yán)重阻礙了其實際應(yīng)用。
目前，公認(rèn)的Li2O2生長機(jī)理有兩種，分別為表面吸附途徑和溶劑介導(dǎo)途徑，其中間產(chǎn)物L(fēng)iO2的形成位置在調(diào)控Li2O2的生長中起決定性作用。在表面吸附生長途徑中，由于LiO2吸附在電極表面，所以會生成薄膜狀Li2O2；而在溶劑介導(dǎo)生長途徑中，溶解在電解液中的LiO2更傾向于生成類環(huán)狀Li2O2。通常，調(diào)節(jié)電解液的組分和構(gòu)建適宜的催化劑是兩種目前獲得類環(huán)狀Li2O2常用的途徑。雖然通過引入高給體數(shù)（DN）的溶劑提高了LiO2的溶解度，但高DN的溶劑對于超氧自由基極不穩(wěn)定，還會伴隨有副反應(yīng)的發(fā)生。因此，在低DN的溶劑中利用異質(zhì)界面工程提高電催化活性成為了當(dāng)今研究的重點(diǎn)。近期，電子科技大學(xué)熊杰教授、王顯福研究員和成都理工大學(xué)龍劍平教授（共同通訊作者）等人巧妙地提出了一種新型的NiS2/ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)，其在低DN的溶劑中實現(xiàn)了類環(huán)狀Li2O2的溶劑介導(dǎo)沉積。在內(nèi)建電場的驅(qū)動下，NiS2/ZnIn2S4能**促進(jìn)界面電荷轉(zhuǎn)移，從而**地降低LiO2中間產(chǎn)物的吸附能。NiS2/ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)的形成改變了Li2O2在低DN的溶劑中傳統(tǒng)的表面吸附生長模式，通過溶劑介導(dǎo)途徑實現(xiàn)了類環(huán)狀Li2O2沉積。與ZnIn2S4相比，NiS2/ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)能夠提高Li-O2電池輸出容量和循環(huán)穩(wěn)定性，其比容量可達(dá)3682 mAh/g，具有490次的出色循環(huán)穩(wěn)定性。該項工作提供了一種在低DN溶劑中實現(xiàn)Li2O2產(chǎn)物溶劑介導(dǎo)沉積的方法。該項研究以題為“Heterostructured NiS2/ZnIn2S4 Realizing Toroid-Like Li2O2 Deposition in Lithium-Oxygen Batteries with Low-Donor-Number Solvents”發(fā)表在ACS Nano上。
(a) Li-O2電池中碳布上形成的NiS2/ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)示意圖；(b-f) 分別為NiS2/ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)的XRD、SEM、TEM、HRTEM及EDX分布圖像，其中，灰色、黃色、棕色和藍(lán)色的球分別代表Ni、S、In和Zn原子。圖二 NiS2/ZnIn2S4的XPS表征及異質(zhì)結(jié)工程
(a-c) 在0.75NiS2/ZnIn2S4、NiS2 和ZnIn2S4中，Zn 2p、In 3d和S 2p的XPS譜圖；(d) NiS2 和ZnIn2S4異質(zhì)界面的電荷分布圖；(e) NiS2 、ZnIn2S4 和NiS2/ZnIn2S4的態(tài)密度曲線；(f) NiS2 和ZnIn2S4的異質(zhì)界面示意圖。圖三 NiS2/ZnIn2S4電極的電化學(xué)性能
(a) NiS2 、ZnIn2S4 和xNiS2/ZnIn2S4電極的奈奎斯特曲線；(b, c) 初始完全充放電曲線，在500 mA/g倍率下各電極對應(yīng)的庫倫效率對比；(d) 不同電流密度下0.75NiS2/ZnIn2S4電極的倍率性能；(e) 0.75NiS2/ZnIn2S4電極的容量保留率及庫倫效率對比；(f) 不同電極在電流密度為500 mA/g，限定比容量為500 mAh/g下的循環(huán)性能。圖四 0.75NiS2/ZnIn2S4電極在充放電過程中的結(jié)構(gòu)和成分分析
(a, b) 在電流密度為500 mA/g下，0.75NiS2/ZnIn2S4電極在不同充放電階段的結(jié)構(gòu)及形貌變化；(c-e) 0.75NiS2/ZnIn2S4電極在充放電過程中的的XRD、Li 1s XPS和EIS圖譜。圖五 不同循環(huán)次數(shù)后的XPS表征
(a-d) 0.75NiS2/ZnIn2S4電極在分別循環(huán)200次和490次后的Li 1s、C 1s、S 2p和Ni 2p XPS譜圖。圖六 DFT計算模擬結(jié)果及機(jī)理分析
(a-c)分別為Li+、O2和LiO2吸附在NiS2/ZnIn2S4上的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖和吸附能（Eads）；(d, e) Li2O2在ZnIn2S4和NiS2/ZnIn2S4電極表面的生長機(jī)理示意圖。在本文中，作者利用NiS2/ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)作為Li-O2電池中的高活性催化劑，成功在低DN溶劑中形成了類環(huán)狀Li2O2沉積。異質(zhì)結(jié)的內(nèi)建電場增強(qiáng)了界面電子傳遞，**促進(jìn)了中間產(chǎn)物L(fēng)iO2的吸附，從而實現(xiàn)了Li2O2的溶劑介導(dǎo)沉積。此外，NiS2/ZnIn2S4異質(zhì)結(jié)促進(jìn)了Li+和O2的快速擴(kuò)散和電解質(zhì)滲透，為反應(yīng)動力學(xué)提供了豐富的界面活性位點(diǎn)。因此，NiS2/ZnIn2S4催化的Li-O2電池表現(xiàn)出490次的循環(huán)穩(wěn)定性和3682 mAh/g的高容量。該項研究表明，尋求高DN溶劑并非是Li-O2電池實現(xiàn)高性能的**選擇。催化劑的異質(zhì)結(jié)構(gòu)工程不僅為Li-O2電池使用低DN溶劑提供了更多的可能性，而且還不會損失電池容量和循環(huán)壽命，這也為金屬-空氣電池和其他催化系統(tǒng)的設(shè)計提供了更多選擇。
原文鏈接：Heterostructured NiS2/ZnIn2S4 Realizing Toroid-Like Li2O2Deposition in Lithium-Oxygen Batteries with Low-Donor-Number Solvents(ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.9b09646)
齊岳微信公眾號
官方微信
庫存查詢