亲硫寡层片状硒化钼修饰还原氧化石墨烯用作锂硫电池载体的研究
录入日期:2019-8-23
内容

 

  本文亮点
  1.利用亲硫的片状硒化钼与rGO的复合材料(MoSe2@rGO)用作锂硫电池中硫正极的载体,相比于未加修饰的rGO,该材料在经过155℃热熔后,硫单质在MoSe2@rGO表面的分布更均匀,显示了较高的首次放电比容量(1608 mAh g-1)。
  2.经过系统的电化学表征,证实硒化钼的引入能够促进硫化锂均匀成核,加快多硫化锂的电化学转化。通过吸附试验以及对循环后隔膜的检测,进一步证明了该复合材料在多硫化锂的吸附方面起到了不可忽视的作用。
  3.对组装后的电池进行稳定性以及倍率的充放电循环测试, 2C的电流密度下,经过500圈的充放电循环后,比容量仍然能保持在672 mAh g-1。即使将硫的面载量提高到4.2 mg cm-2,电池仍能保持比较高的比容量和较优异的循环稳定性。
  研究背景
  锂硫电池由于其较高的能量密度和理论容量,越来越受到人们的关注,有可能成为下一代商业化的储能技术。但是由于硫单质和硫化锂较低的电导率,转化过程中硫较高的膨胀系数,以及可溶性的多硫化锂在电池中较为严重的穿梭效应,阻碍了锂硫电池进一步发展。为了解决上述问题,将硫单质与碳材料复合,在提高导电性的同时,减缓了硫单质转化过程中的体积效应,相应的研究已经有较多的报道。为减缓穿梭效应,提高载体对多硫化锂的吸附能力,研究者们对碳材料进行了杂原子掺杂以及与极性化合物复合。目前研究较多的是与金属氧化物,硫化物和氮化物等材料的复合,其相应的锂硫电池性能已经有了较大的提升。金属硒化物对硫有较强的亲和性,但是其复合物材料在锂硫电池中应用并没有得到突出的重视。
  成果简介
  基于上述考虑,山东大学的奚宝娟副教授(通讯作者)在Advanced Energy Materials发表了题为“Sulfiphilic Few-Layered MoSe2 Nanoflakes Decorated rGO as a Highly Efficient Sulfur Host for Lithium–Sulfur Batteries”的文章,报道了寡层硒化钼与还原石墨烯复合材料在锂硫电池正极载体中应用的进展。该工作通过系统的研究,证实硒化钼/碳复合材料能够催化多硫化锂的转化,促进硫化锂的均匀成核和减缓穿梭效应。文章第一作者为山东大学博士生田文芝。
  图文导读

 

 

  Fig. 1 A)和B)是MoSe2@rGO的SEM图; C-E) 是其对应的TEM图; F-H) 是对应的HAADF-HRTEM图; I-L) 是MoSe2@rGO对应的EDX元素分布图。
  如Fig. 1所示,通过电镜的表征,可以看到层状的硒化钼,均匀地分散在rGO表面,HAADF-HRTEM表征可以看出硒化钼是由1T相与2H相共同组成。


  Fig. 2 A) MoSe2@rGO和rGO的XRD衍射花样;B) MoSe2@rGO和rGO对应的氮气吸脱附等温线以及孔径分布; C) MoSe2@rGO对应的拉曼图谱; D-F) MoSe2@rGO对应的XPS光电子能谱。
  如Fig. 2所示,MoSe2@rGO材料的物相,孔径分布以及其价态进一步的得到确认。

 

  Fig. 3 A) MoSe2@rGO与硫粉经过155℃热熔后的SEM图, b) 相应的ESB模式成像SEM图,C) 是相应热熔前后的拉曼图谱,D-H) 分别为MoSe2@rGO载硫后(MoSe2@rGO/S)的元素分布Mapping图,I)和J) 分别是rGO载硫后(rGO/S)的SEM图和相应的ESB模式成像SEM图,K) 是MoSe2@rGO/S对应的TGA曲线。
  如Fig. 3所示,经过155℃热熔后,硫单质在MoSe2@rGO材料表面的分布更均匀,材料表面并未出现明显的团聚。通过ESB模式的对比成像可以看出,相较于未加修饰的rGO,硒化钼修饰后的材料更有利于硫的分散。拉曼图谱显示,热熔后的MoSe2@rGO与硫混合物中,出现了硫化钼的信号,这表明,硒化钼对于硫单质的分散,不仅仅依靠范德华力作用,同时还有化学键合的作用。

 

  Fig. 4 相应的材料载硫后组装的扣式电池对应的电化学数据: A)和B) MoSe2@rGO/S和rGO/S分别对应的氧化峰和还原峰在0.1 mV s-1扫速下的电位对比; C) MoSe2@rGO和rGO载体对应的锂硫电池的倍率性能; D) 0.5C电流密度下的充放电循环性能,及E)和F) MoSe2@rGO/S和rGO/S对应电压-比容量曲线。
  如Fig. 4所示,较低的氧化电位和较高的还原电位显示了MoSe2@rGO能够降低硫的转化反应的极化,电压-比容量曲线中也可以体现出这一点,同时在较高倍率的电流密度下MoSe2@rGO对应的电池仍然具有较高的比容量。

 

  Fig. 5 相应的材料载硫后组装的扣式电池对应的电化学数据: A)和B) MoSe2@rGO/S和rGO/S分别对应的扫速从0.1到0.5 mV s-1的CV曲线; C) 峰电流与扫速平方根的关系图对比; D) MoSe2@rGO/S和rGO/S的Tafel曲线; E)和F) MoSe2@rGO和rGO对应的2.05 V恒电压放电曲线。
  如Fig. 5所示,MoSe2@rGO作为载体的锂硫电池展现出较高的锂离子扩散系数和较大的交换电流密度,表明硒化钼的引入,促进了对多硫化物在其表面的氧化还原反应。同时,MoSe2@rGO展现出了优异的硫化锂成核性能,有利于提升锂硫电池的电化学性能。
  总结与展望
  综上所述,作者通过简单的溶剂热方法制备了寡层片状硒化钼与rGO的复合材料,并将其作为锂硫电池正极的载体材料,得益于其对硫的较强亲和力,熔融法载后的硫能够均匀地分散在载体MoSe2@rGO上。硒化钼在多硫化物的转化过程中起到了相应的催化作用,使得相应的电池具有更加优异的动力学性能。该研究对后续的锂硫电池正极载体材料的设计有一定的指导意义。
  来源:MaterialsViews


 
石墨烯产业技术创新战略联盟 国际石墨烯产品认证中心IGCC 西安丝路石墨烯创新中心 北京现代华清材料科技发展中心
 

诚挚邀请您加入联谊会官方QQ群:5356992  
地址:北京市海淀区海淀大街3号国际技术转移中心(鼎好电子大厦A座)12层A1218室
电话:010-62773655
©北京现代华清材料科技发展中心版权所有   京公网安备 11010802023405
本站得到“211工程公共服务体系重点学科信息服务体系建设项目”的支持