西安大略大学孙学良教授Adv. Funct. Mater:钴掺杂的SnS2用于解决高硫载量的锂-硫电池存在的问题

【引言】

锂-硫电池对环境友好，成本低，理论能量密度高，因此受到了广泛的关注，被公认为下一代可充电电池。然而，锂-硫电池的实际应用受阻。锂-硫电池在充放电过程中，正极产生的多硫化物具有穿梭效应，导致电池的库伦效率较低，电池容量衰减较快。导电率低的正极材料和放电产物不但降低电池的倍率性能，而且限制电池的硫载量和电池对硫的利用。锂-硫电池的面积容量要达到4 mA h cm⁻²，就要求硫载量超过 3 mg cm⁻²。然而，大多数的放电容量高、循环寿命长的电池的硫载量低于2 mg cm⁻²，难以满足实际要求。而且，发生在第二个放电平台的由多硫化物到Li₂S的转变受到由多硫化物到Li₂S₂和由Li₂S₂到Li₂S的转变的缓慢的动力学的限制，导致电池的放电比较早结束，对硫的利用率低。

【成果简介】

针对上述问题，西安大略大学的孙学良教授和Tsun-Kong Sham教授（共同通讯作者）带领研究人员将钴掺杂的SnS₂生长在氮掺杂的碳纳米管上，并以此作为硫正极的载体材料。该电极的穿梭效应被抑制，循环稳定性得到改善，对硫的利用率得到提高。该电极（硫载量为3 mg cm⁻²）的容量达到1337.1 mA h g⁻¹，在100次循环（电流密度为1.3 mA cm⁻²）后为1004.3 mA h g⁻¹。另外，该电极的每次循环的容量衰减仅为0.16%（300次循环，电流密度为3.2 mA cm⁻²）。这项成果发表在国际著名学术期刊Adv. Funct. Mater上。

【图文导读】

图1.NCNT@Co-SnS2的制备和表征

a.NCNT@Co-SnS₂的制备过程

b–d.NCNT@Co-SnS₂的不同分辨率的SEM图

e–f.NCNT@Co-SnS₂的不同分辨率的TEM图

g.NCNT@Co-SnS₂的EDX图

h–l.NCNT@Co-SnS₂的元素分布图

图2. S/NCNT@SnS₂电极和 S/NCNT@Co-SnS₂电极的电化学性能

a.CV曲线（第二个循环）

b.充放电曲线

c.循环性能（电流密度为1.3 mA cm⁻²）

d.倍率性能（电流密度为1.3-5.1mA cm⁻²）

e.不同电流密度对应的充放电曲线

f.过电位（电流密度为1.3-5.1mA cm⁻²）

g.电解液为Li₂S₆的对称电池的CV曲线

h.长期循环性能（300次循环，电流密度为3.2 mA cm⁻²）

图3.NCNT@Co-SnS₂的催化机理

S/NCNT@SnS₂电极（a）和 S/NCNT@Co-SnS₂电极（b）的XANES图

图4.S/NCNT@Co-SnS₂电极的充放电过程

【小结】

在这项工作中，S/NCNT@Co-SnS₂电极不仅抑制多硫化物的穿梭效应，而且还促进硫载量高的锂-硫电池对硫的利用和改善其循环稳定性。它和没掺杂Co的S/NCNT@SnS₂电极相比，电极容量较高，容量衰减较慢。这项工作为改善锂-硫电池的电化学性能提供了一种有效的方式。

文献链接：Cobalt‐Doped SnS2 with Dual Active Centers of Synergistic Absorption‐Catalysis Effect for High‐S Loading Li‐S Batteries

（Adv. Funct. Mater.,2018,DOI:10.1002/adfm.201806724）

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