自支撑CoS2修饰的多通道碳纤维作为SeS2载体提升Li-SeS2电池性能

近年来，随着可移动电子设备和电动汽车的飞速发展，人们对高性能可充电电池的需求不断提高，因此高能量密度的电极材料开始受到越来越多的关注。

其中，锂硫电池因具有能量密度高，价格低廉，环境友好等优点被视为最具前景的下一代高能量可充电电池。在推动锂硫电池的商业化过程中，研究者们尝试了多种提高硫的容量利用率和阻止多硫化物流失的方法。但是当活性物质载量达到比较高的实用水平时，由于硫和放电产物硫化锂的电子和离子导电率较低，锂硫电池的实际能量密度很难达到一个有优势的水平。

硒（Se）因为其比较高的导电性，被认为是一种能够替代硫的高导电性活性材料。用硒作正极材料时，锂硒电池表现出更好的反应活性。但是硒的理论比容量较低且价格昂贵，这限制了锂硒电池的应用范围。

为了实现硫和硒的电化学特性的优势互补，硫硒固溶体（Se_xS_y）被认为是非常有潜力的储锂材料。一系列基于硫硒固溶体的正极材料都展现出明显的储能优势。但是，和硫正极相似，Se_xS_y正极材料在充放电过程中也会产生可溶性中间产物，发生穿梭效应，引起电池容量的衰减。受到锂硫电池化学吸附机理的启发，一些金属氧化物/氮化物/硫化物也可能有效的抑制多硫离子/多硒离子的溶解。其中，CoS₂材料因其独特的物理化学性质，在作为锂硫电池的宿主材料时，不仅可以通过化学吸附作用有效抑制多硫离子的流失，还可以从动力学上促进电极材料的氧化还原反应。因为硫和硒的物化特性近似，所以推测CoS₂材料也很有可能会对锂-硫化硒电池产生积极作用。

近期，为了改善Li-SeS₂电池的电化学性能，南洋理工大学的楼雄文教授（点击查看介绍）课题组设计并制备了一种由CoS₂纳米颗粒修饰的自支撑多通道碳纤维网络（CoS₂@LRC）作为SeS₂的载体。合成过程如图1所示。这种自支撑的CoS₂@LRC/SeS₂电极具有多方面的优势。首先，互相交错的碳纤维搭建了优良的三维导电网络，保证了高容量释放所需要的良好的电子/离子传输。其次，大量的CoS₂纳米颗粒均匀的分散在多通道碳纤维的内外表面，提供了有效的活性位点，进而限制了多硫离子和多硒离子的溶解，有效的抑制活性物质的流失，保证电池的循环稳定性。另外，CoS₂@LRC纤维内部拥有许多平行通道，这些通道一方面可以保证电极较高的活性物质载量（SeS₂: 70 wt %），另一方面可以为SeS₂锂化过程中产生的体积膨胀提供足够的空间。电池测试结果显示制备的自支撑CoS₂@LRC/SeS₂电极的单位面积SeS₂载量可以高达到2.3-2.5 mg cm^-2。在0.2 A g^-1 的电流密度下首次放电容量高达1015 mAh g^-1，历100次充放电循环后，放电容量仍可以保持在 745mAh g^-1，现出良好的循环稳定性。

图1. CoS₂@LRC/SeS₂的合成示意图及它的储锂优势。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie-International Edition 上。

该论文作者为：Jintao Zhang, Zhen Li and Xiong Wen (David) Lou*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Freestanding Selenium Disulfide Cathode Based on Cobalt Disulfide-Decorated Multichannel Carbon Fibers with Enhanced Lithium Storage Performance

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 14107-14112, DOI: 10.1002/anie.201708105

导师介绍

楼雄文

http://www.x-mol.com/university/faculty/35053

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