清华大学张强&北理工黄佳琦AM：用于稳定锂硫电池中调控多硫化物的双功能钙钛矿型促进剂

编辑部实习生 7年前 (2017-12-11) 6417浏览

【引言】

锂硫电池由于其较高的能量密度，被认为是最有前景的下一代的可充电电池之一。它的高能量密度来自于一种多电子的化学转变，涉及一系列硫化物，例如硫、锂的多硫化物（Li2Sx,2≤x≤8,记作LiPSs）。然而，锂的多硫化物的穿梭效应和硫化锂随机沉积的缓慢动力学极大地降低了锂硫电池的容量、倍率性能和循环寿命。

【成果展示】

近日，清华大学化工系张强副教授和北京理工大学的黄佳琦研究员课题组在Advanced Materials发表了题为“A Bifunctional Perovskite Promoter for Polysulfide Regulation toward Stable Lithium–Sulfur Batteries”的研究论文，提出了一种双功能钙钛矿结构的纳米颗粒Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ（记作PrNPs），可以作为促进剂来固定LiPSs、促进LiPS的转变并调节Li2S的沉积。

【图文导读】

图1 钙钛矿型促进剂在抑制LiPS穿梭和调控Li2S中的角色

（a）LiPS扩散出正极，在电池的两电极间发生穿梭效应；

（b）LiPS的固定和Li2S的形核。PrNP促进剂有效抑制了LiPS的穿梭，促进其氧化还原反应，并确保了Li2S的均匀沉积；

（c）促进剂PrNP的晶体结构。

图2PrNP的结构

（a）XRD图像；（b）SEM图像（插图为颗粒尺寸分布）；（c）TEM图像；（d）HRTEM图像（插图为傅立叶变换晶格及其晶格间隔轮廓）

图3 PrNP促进剂下LiPS的吸收和促进

（a）Li2S6和PrNP结合在一起的几何图形；

（b）Li2S6和PrNP，Li2S6和CNT间结合能的对比；

（c）6h后Li2S6的静态吸收；

（d）PrNP吸收Li2S6溶液前后Co 2p,O 1s和Sr 3d区域的精制XPS图谱；

（e）CP（Carbon paper）或PrNP@CP作电极，含有/不含Li2S6时的电池循环伏安曲线；

（f）恒电位放电曲线。

图4 S/CNT/PrNP做正极的锂硫电池的电化学性能

（a）锂硫电池的倍率性能；

（b）电流密度为0.2C的恒流充放电曲线；

（c）电流密度为0.5C的循环性能；

（d）0.2C电流密度下，硫负载量分别为2.5，3.8，5.2mg cm-2时的锂硫电池的稳定性。

【小结】

研究发现Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ钙钛矿型纳米颗粒（记作PrNPs）在锂硫电池中可作为促进剂来固定LiPSs并引导Li2S的沉积。首先，在PrNPs中的氧空位增加了金属反应性来固定LiPSs，并且PrNP上的亲锂位（O）和亲硫位（Sr）的存在也有助于形成Li-O和Sr-S键来固定LiPSs。其次，PrNP的高催化性质促进了氧化还原反应动力学。最后，和内在LiPS有着吸引作用的PrNP也可作为Li2S沉积的形核位点并引导它的有序蔓延。因此，这种双功能LiPS促进剂能使锂硫电池产生高倍率性能和超低的容量衰减。通过一种全新的钙钛矿型促进剂来固定LiPSs、促进LiPS转变和调控Li2S沉积，这一策略也可应用于其他基于氧化还原反应的能量转换和存储设备中。

文献链接：A Bifunctional Perovskite Promoter for Polysulfide Regulation toward Stable Lithium–Sulfur Batteries（Adv.Mater,2017,DOI: 10.1002/adma.201705219）

本文由材料人编辑部曾祥天编辑，黄超审核。

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