<video id="fz3vv"><big id="fz3vv"><th id="fz3vv"></th></big></video>

        <var id="fz3vv"><thead id="fz3vv"></thead></var>
        <ruby id="fz3vv"><span id="fz3vv"><span id="fz3vv"></span></span></ruby>

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            1. 研究背景

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            近年來,社會對鋰離子電池儲能技術尤其是大規模儲能領域提出了更高的要求。鋰離子電池受限于其低安全性和高成本,尚未得到大規模應用。而Li-S電池因其高能量密度(~2600 Wh/kg)引起人們的廣泛關注。但是Li-S電池在充放電過程中仍存在如單質S導電性差、中間產物多硫化物穿梭、充放電過程中體積膨脹等一系列問題。針對上述問題,研究人員已對S正極的宿主材料提出一系列的優化策略,如通過多孔炭吸附改善硫正極的導電性,通過氮元素摻雜提高對多硫化物的吸附等。但是,已有的各種手段均無法從根本上解決問題,需要開發一種綜合各種功能的更加有效的正極宿主材料。

            2. 成果簡介

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            近期,北京大學潘鋒教授團隊在Advanced Energy Materials 上發表了題為“Highly Dispersed Cobalt Clusters in Nitrogen-Doped Porous Carbon Enable Multiple Effects for High-Performance Li–S Battery”的研究工作。作者基于常見的MOF制備了一種高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠。在合成過程中加入適量的葡萄糖,可以有效抑制在碳化過程中鈷金屬的團聚,得到分散均勻的鈷納米晶。該材料具有~1185 m2/g 的高比表面積,從而實現了76%高載硫量。制備得到的多功能硫正極宿主材料具有優異的電化學性能,在長循環500圈后依然有86%的容量保持率,且具有優異的倍率性能,在7.5 A/g電流密度下比容量可達600 mAh/g。作者結合第一性原理計算,進一步從理論上解釋了鈷納米顆粒的存在能夠有效加速多硫化物的動力學還原過程,從而有效提升材料的循環穩定性。

            3. 研究亮點

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            1. MOF煅燒過程中引入葡萄糖,其會優先碳化提高碳籠的導電性并獲得高分散度的Co納米晶負載;

            2. 高空隙率的碳籠可以在內部存儲87%S實現可逆的氧化還原反應;

            3. 高分散Co納米晶使多硫化物吸附在表面并實現快的鋰離子擴散動力學及其多硫化物的轉化反應。

            4.圖文導讀

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            作者將鋅源和鈷源按照一定比例與二甲基咪唑混合得到相應的MOF產物,將得到的MOF產物與適量的葡萄糖在溶液中混合后,在保護氣氛下進行碳化處理,得到相應的多功能硫正極宿主材料。在此過程中,被MOF吸收到內部的葡萄糖首先碳化,有效抑制了鈷金屬的團聚,鋅原子在高溫時揮發,產生多孔,最終形成鈷金屬納米晶負載的氮摻雜多孔碳宿主材料。該材料具有高導電性、高載硫量、對多硫化物的強吸附性、快速的鋰離子多硫化物還原等多種功能(圖1a)。通過SEMTEM可以看到得到的宿主材料具有良好的多面體碳籠結構,并且其內部的鈷金屬納米晶分布均勻(圖1b-d)。通過EDS結果進一步證明了載硫后的N-PC@uCo/S正極材料各種元素分布均勻(圖1f-j)。

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            1aN-PC@uCo/S合成示意圖;(bN-PC@uCoSEM電鏡圖片;(cN-PC@uCoTEM圖像與對應的鈷金屬納米顆粒粒徑統計;(dN-PC@uCo的高倍數TEM電鏡圖;(eN-PC@uCo高分辨TEM電鏡圖片;(f-jN-PC@uCo/S對應的的EDS元素分布圖。

            隨后,作者通過對比不含鈷金屬納米晶(N-PC)碳籠以及團聚的鈷金屬納米晶(N-PC@aCo)發現,這種高度分散的鈷納米晶負載的碳籠擁有最佳的比表面積和孔體積(圖2a-b),同時具有最高的硫載量(圖2d),且載硫后具有最佳的電導率(圖2e)。并用XPS分析了硫復合正極材料中各元素的結合能(圖2f-i)。

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            2aN-PC,N-PC@aCoN-PC@uCo的比表面積;(bN-PC,N-PC@aCoN-PC@uCo的粒徑分布圖;(cN-PC,N-PC@aCoN-PC@uCoXRD圖;(dN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/STGA圖;(eN-PC,N-PC@aCoN-PC@uCo載量前后的電導率;(f-iN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S對應的S、C、N、Co元素的XPS。

            通過對材料進行0.1C循環(圖3a)和不同的倍率(圖3b)測試發現,N-PC@uCo/S均具有最佳的性能。長循環測試也顯示出相同的結果,N-PC@uCo/S在500圈的長循環測試中依舊能保持86%的容量保持率(圖3c),高于大多數工作所報道的性能,同時在不同面載量下N-PC@uCo/S材料依舊能保持較好的循環穩定性和容量(圖3d)。

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            3aN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S0.1C倍率下循環性能;(bN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S的倍率性能;(cN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S的長循環穩定性;(dN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S在不同面載量下的循環穩定性。 

            通過對充放電曲線進行分析,發現對于N-PC@uCo/S材料,其2.12.4 V之間平臺所貢獻的容量比例最高,而這一部分正對應于多硫化物還原所提供的容量(圖4a)。同時,通過不同掃速下的CV曲線擬合得到對應的鋰離子擴散速率,發現Co納米晶的引入能夠有效增強鋰離子擴散速率,也進一步反映出多硫化物還原的速率顯著增強(圖4b-e)。同時為了進一步驗證上述結論,作者通過第一性原理計算模擬了在不同環境下材料表面鋰離子的擴散勢壘。通過計算發現,在Co納米晶表面的鋰離子擴散勢壘遠遠小于石墨烯表面,進一步驗證了實驗結果的正確性(圖4f)。

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            4aN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S充放電曲線;(bN-PC@uCo/S在不同掃速下CV;(c-eN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S的峰值電流IA、IB、IC隨掃速變化圖;(f)鋰離子在不同材料表面的擴散勢壘;(g-k)鋰離子在 graphene、graphitic N@G、pyridinic N@G、pyrrolic N@G、Co cluster表面的擴散路徑示意圖。

            為了探究電極/電解質界面處多硫化物的電化學轉化,作者使用含有多硫化物的電解液組裝了對稱電池。通過CV結果(圖5a-b)可以看出,N-PC@uCo/S材料有著最大的峰電流,表明其更加充分的多硫化物氧化還原反應。通過CV測試對氧化還原過程中的塔菲爾斜率和交換電流密度進行求解發現,N-PC@uCo/S有著最大的交換電流密度,進一步驗證了N-PC@uCo/S具有更快的多硫化物動力學氧化還原過程,能夠顯著加速多硫化物的氧化還原反應,減少其在電解液中穿梭的可能。

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池 

            5aN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S的對稱電池CV測試圖;(bN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S的阻抗測試圖;(cN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S的塔菲爾斜率和交換電流密度。

            對于三種材料對多硫化物吸附的優劣,作者采用了多種手段進行驗證。首先通過第一性原理計算發現Co納米晶對多硫化物的吸附能遠遠高于石墨烯和氮摻雜的石墨烯,同時靜態吸附試驗也證明了該結論(圖6b-c)。N-PC@uCo材料在吸附多硫化物前后的XPS測試結果也進一步驗證了該結論。通過對比吸附前后S元素和Co元素的價態可以看出,吸附多硫化物后,多硫化物的S和材料中的Co均發生明顯的變化,表明S和Co的有效鍵合,證明了N-PC@uCo能與多硫化物產生有效吸附(圖6d-e)。同時原位充放電過程中的變色實驗也進一步表明在充放電過程中Co納米顆粒能夠對多硫化物形成有效吸附,從而抑制多硫化物在電解液中的溶解,使得電解液依舊保持透明(圖6f)。

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            6a)多硫化物在 graphene、graphitic N@G、pyridinic N@G、pyrrolic N@G、Co cluster表面的吸附示意圖;(b)多硫化物在不同材料表面的吸附能;(c)多硫化物在不同材料中的靜態吸附實驗;(d-eN-PC@uCo/S吸附多硫化物前后S、Co元素的XPS;(fN-PC/S,N-PC@aCo/SN-PC@uCo/S原位多硫化物吸附示意圖。

            5. 總結與展望

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            本工作中,作者設計了一種氮摻雜和Co納米晶催化劑均勻分散的多孔碳納米籠作為硫正極的宿主結構,通過在合成過程中添加葡萄糖有效控制鈷金屬顆粒的尺寸和均勻性。作者發現,該硫正極宿主結構具有多功能性,如高電導率,高載S量,能夠有效緩解S體積膨脹產生的應力以及增強硫正極和宿主材料的界面接觸。硫宿主材料中高度分散的鈷金屬納米晶不僅可以有效促進鋰離子的擴散和多硫化物的氧化還原,而且可以增強多硫化物的吸附。該工作為Li-S電池未來的DFT提供了Li /多硫化物動力學和吸附基準,為過渡金屬作為鋰硫電池中多硫化物的高性能催化劑提供借鑒和指導。

            6. 文獻鏈接

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            R. Wang, J. L. Yang, X. Chen, Y. Zhao, W. G. Zhao, G. Y. Qian, S. N. Li, Y. G. Xiao, H. Chen, Y. S. Ye, G. M. Zhou, and F. Pan. Highly Dispersed Cobalt Clusters in Nitrogen-Doped Porous Carbon Enable Multiple Effects for High-Performance Li–S Battery. Adv. Energy Mater. 2020, 1903550.DOI: 10.1002/aenm.201903550

            原文鏈接:

            https://doi.org/10.1002/aenm.201903550

            7. 團隊介紹

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            潘鋒,北京大學深圳研究生院新材料學院創院院長,1985年畢業于北大化學系,1988年獲中科院福建物構所碩士(師從梁敬魁先生),1994年獲英國Strathclyde大學博士學位(獲最佳博士論文獎),1994-1996年瑞士ETH博士后。自2011年創建北京大學深圳研究生院新材料學院以來,致力于材料基因與大數據系統研發、結構化學新范式探索、 基于中子大科學裝置的材料和器件綜合表征系統建設與應用、新能源材料與器件研究和應用、界面結構與特殊界面涂層材料及裝備研發和應用等方面取得了系統性的創新成果。2012-16年作為項目的首席科學家和技術總負責聯合8家企業承擔和完成了國家新能源汽車動力電池創新工程項目。2015年任科技部“電動汽車動力電池與材料國際聯合研究中心”(國家級研發中心)主任。2016年作為首席科學家承擔國家 “基于材料基因組的全固態鋰電池及關鍵材料研發”重點專項。潘鋒是國家千人特聘專家和北大講席教授,發表了包括Nature Nanotech.、JACS、Adv. Mater.等內的SCI代表性論文250余篇, 2015-18連續四年入選愛思唯爾中國高被引學者,授權發明專利27項。獲2018年美國電化學學會電池科技獎與深圳市自然科學一等獎(領軍)和2016年國際電動車鋰電池協會杰出研究獎。

            肖蔭果,北京大學深圳研究生院副教授,博士生導師。2000年和2003年在中南大學分別獲得材料科學專業學士和碩士學位,2006年在中國科學院物理研究所獲得凝聚態物理專業博士學位。2007-2009年在德國于利希研究中心固體物理研究所進行博士后研究工作,2009-2015年在德國于利希中子科學中心任研究員,2015年晉升為德國于利希中子科學中心終身研究員,2017年入職北京大學深圳研究生院。肖蔭果具有16年從事中子散射方法應用和中子散射譜儀大科學裝置建設方面的研究經驗,目前主要開展能源材料和磁性材料結構與性能的中子散射研究,同時作為技術負責人展開北京大學高分辨中子譜儀大科學裝置的研制和建設工作。已在國際期刊發表SCI學術論文102篇,論著2章節,以論文論著形式發表的學術成果被引用千余次。

            楊金龍博士,2014年獲武漢理工大學材料學博士學位,導師木士春教授。之后在北京大學深圳研究生院潘鋒教授課題組從事博士后研究工作,并于2018年獲得中國博士后國際交流計劃項目支持赴斯坦福大學進行交流訪問至今,導師崔屹教授。主要研究領域集中在電化學和能源材料。在Adv. Energy Mater., ACS Catalysis 和Nano Energy期刊發表SCI論文40余篇,授權發明專利7項。

            北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            清新電源投稿通道(Scan)北大潘鋒團隊AEM:高度分散的Co納米晶負載氮摻雜多孔碳籠實現多重效應助力高性能Li-S電池

            本站非明確注明的內容,皆來自轉載,本文觀點不代表清新電源立場。

            發表評論

            登錄后才能評論