郑州大学李保军教授EEM：基于分子前驱体热解得到Bi2S3纳米棒负载在氧化还原石墨烯薄片用于高效锂离子存储

文章简读

锂离子电池（LIBs）负极材料通常包括碳基化合物、金属硫化物、金属氧化物等。但由于硫元素的电负性小于氧元素的电负性，因此金属硫化物的比容量一般高于氧化物。Bi₂S₃因其独特的层状结构和理论比容量（625 mAh g^-1，4250 mAh cm^-3）被认为是LIBs理想的负极材料。但在实际的锂离子嵌入过程中，会发生两个反应（Bi₂S₃+ 6Li → 3Li₂S + 2Bi、Bi + 3Li → Li₃Bi）。而这两个反应都会使材料发生不同程度的体积膨胀。因此在反复放/充过程中由于Bi₂S₃体积膨胀的固有缺陷，造成负极侧容量衰减，最终导致循环寿命减短，倍率性能变差，严重制约了Bi₂S₃作为负极材料在LIBs中的应用。

而通常有效的策略是将Bi₂S₃设计为纳米/微米结构，提供更大的表面积以及缩短Li⁺离子扩散路径，以缓解锂离子嵌入Bi₂S₃引起的体积变化大的问题。而另一种策略是将Bi₂S₃负载到导电碳基体上，通过二者的协同作用提高锂的存储性能和结构稳定性。在本文中我们结合以上两种策略即将纳米Bi₂S₃负载在导电碳基体上，从而实现Bi₂S₃作为负极材料在LIBs中的应用。

Bi₂S₃的制备方法有球磨，水热以及溶剂法等，每种方法都可制备独特形貌的Bi₂S₃。而分子前驱体热解法可以通过改变实验参数，从而精确调控目标产物的晶相、组成和形貌。利用有机分子配体和金属铋盐合成分子前驱体，使金属原子高度分散。而有机配体的快速热解有利于形成表面能较高的界面，暴露更多的活性位点，提高锂离子的存储性能；同时由于石墨烯表面亲水性差，一般与金属硫化物不相容，而有机配体可以使金属铋盐与石墨烯更容易接触，提高了材料的导电性。在热解过程中，有机配体的分解产生丰富的孔隙结构，有利于Li⁺离子的迁移。而该方法已应用于硫化钴的制备，对性能的提高有显著作用。因此采用此法实现纳米棒状Bi₂S₃负载在还原氧化石墨烯。

而合成的负载纳米棒状Bi₂S₃的还原氧化石墨烯，由于Bi₂S₃与还原氧化石墨烯界面的电荷极化作用促进了电荷转移，同时由于纳米棒状以及少量空心纳米棒状结构的Bi₂S₃的存在缩短了锂离子扩散路径，增加了电极与电解质之间的接触面积，因此具有优异的动力学性能。另外还原氧化石墨烯具有表面积大和导电性好等特点，提高电子迁移速率，有效缩短电子和锂离子的迁移路径。因此制备的BSG-400材料表现出良好的锂存储能力。总的来说，这项工作为金属化合物/还原氧化石墨烯复合材料的发展提供了一个通用的策略，提高与电池比容量的相关的电化学性能。