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重庆大学《Chem. Sci》:一种“蝴蝶材料”GeS2-MoS2/rGO ,用于纽扣袋式锂硫电池
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-06-07  点击数:28

  1成果简介

 

  在放电过程中具有两个典型平台的锂硫电池(LSB)容易形成可溶性多硫化锂(LiPS),导致电池循环寿命缩短。在实际工作条件下,S8 向 Li2S 的转化是交叉进行的,而不是分步反应,液态 LiPS 向固态 Li2S 的转化可在高电荷状态(SOC)下进行,以维持电流要求。因此,推进 Li2S 沉积可有效减少 LiPS 的积累,并最终改善反应动力学。本文,重庆大学李存璞,副教授、魏子栋 教授等在《Chem. Sci》期刊发表名为“Toward robust lithium–sulfur batteries via advancing Li2S deposition”的论文,研究提出一种“蝴蝶材料 ”GeS2-MoS2/rGO 被用作硫宿主。通过 GeS2 和 MoS2 之间形成的大量 S-S 键,可以获得丰富的催化异质界面。MoS2(左翼)可以增强对 LiPS 的吸附,而 Fdd2 GeS2(右翼)和图片的晶格匹配特性可以诱导多重成核并调节 Li2S 的三维生长。Li2S 沉积可提前到 80% SOC 时发生,从而有效抑制可溶性 LiPS 的积累。由于催化和晶格匹配特性的协同作用,可以实现坚固的硬币和袋状 LSB。
  2图文导读 

 

  图1、 (a) GeS2-MoS2 的界面电荷密度差(黄色:电子积聚;青色:电子耗尽)。异质结构的强键相互作用形成了丰富的催化异质界面和多个 Li2S 成核位点。(b) GeS2-MoS2/rGO 和 MoS2/rGO 的高分辨率 Mo 3d XPS 光谱。与 MoS2/rGO 相比,GeS2-MoS2/rGO 的 Mo 3d 峰向更高的结合能区域移动。(c) GeS2-MoS2/rGO 和 GeS2/rGO 的高分辨率 Ge 3d XPS 光谱。在 GeS2-MoS2 异质结构中,电子从 MoS2 转移到 GeS2。(d-f)GeS2-MoS2、GeS2 和 MoS2 费米水平附近的 pDOS 计算结果。GeS2-MoS2 的带隙最小,从而提高了锂离子电池的转化率。

 

 

  图2 、(a) Mo 箔、GeS2-MoS2/rGO 和 MoS2/rGO 的 Mo K-edge XANES 光谱。(b) Ge 箔、GeS2-MoS2/rGO 和 GeS2/rGO 的 Ge K 边 XANES 光谱。异质界面中的电子从 MoS2 转移到 GeS2。(c) Mo 箔、GeS2-MoS2/rGO 和 MoS2/rGO 中 Mo 的 EXAFS 分析 R 空间。(d) Ge 箔、GeS2-MoS2/rGO 和 GeS2/rGO 中 Ge 的 EXAFS 分析 R 空间。(e) Mo 箔、GeS2-MoS2/rGO 和 MoS2/rGO 的 Mo K 边 EXAFS 振荡。(f) Ge 箔、GeS2-MoS2/rGO 和 GeS2/rGO 的 Ge K 边 EXAFS 振荡。(g) Mo 箔、GeS2-MoS2/rGO 和 MoS2/rGO 的 Mo K 边 WT 等值线图。(h) Ge 箔、GeS2-MoS2/rGO 和 GeS2/rGO 的 Ge K 边的 WT 等值线图。没有观察到 Ge-Mo 键,这表明异质界面发生了由 S 介导的电荷转移,这与上述 DFT 结果一致。

 

 


  图3 、(a) GeS2-MoS2/rGO 的扫描电镜图像。可以观察到花瓣球形的形态。(b) GeS2-MoS2/rGO 的 HRTEM 图像和 (c) 相应的还原 FFT 图形。可以确定 GeS2 (311) 和 MoS2 (002) 的晶格边缘。(d) GeS2-MoS2/rGO、MoS2/rGO 和 GeS2/rGO 的 XRD 图样。(e)S@GeS2-MoS2/rGO、S@MoS2/rGO 和 S@GeS2/rGO 的 XRD 图样。(f和g)分别为MoS2/rGO和GeS2-MoS2/rGO电池的初始放电/充电曲线和相应的原位XRD等值线图。Fdd2 GeS2 和 Fm[3 with combining macron]m Li2S 之间的晶格匹配性质显著促进了 GeS2-MoS2/rGO 电池在约 60% SOC 时的 Li2S 沉积。此外,与 MoS2/rGO 电池相比,GeS2-MoS2/rGO 电池显示出更弱、更可逆的 LiPS 峰值,这意味着 LiPS 穿梭明显受到 GeS2-MoS2/rGO “蝴蝶材料 ”的抑制。

 

  图4、 (a) GeS2-MoS2 异质结构示意图。蝶形异质结构被设计为硫宿主,以促进 LiPSs 的转化,并协同促进 Li2S 的生长。(b) 对称电池中不同催化剂在 20 mV s-1 扫描速率下的 CV 曲线。GeS2-MoS2/rGO 具有最强的峰值电流密度和最小的过电位;(c)S8 和 Li2Sx(x = 1、2、4、6 和 8)物种在不同催化剂上的结合能。GeS2-MoS2 异质结构与 LiPSs 的结合能最强,能有效促进催化效果。(d) 不同样品在 2.05 V 下与 Li2S8 电解质的恒电位放电曲线。具有丰富催化异质界面的 GeS2-MoS2/rGO 异质结构可实现 LiPSs 的快速转化和 Li2S 的提前沉积。(e)不同样品的无量纲瞬态(符号)与二维和三维理论模型的比较(Im:峰值电流;tm:达到峰值电流所需的时间)。在 GeS2-MoS2/rGO 异质结构中,Li2S 的生长遵循典型的 3DP 模式。(f) 不同样品在 2.40 V 下溶解 Li2S 的恒电位电荷曲线。(g-i)Li2S 沉积后 GeS2-MoS2/rGO、GeS2/rGO 和 MoS2/rGO 的扫描电镜图像。在 GeS2-MoS2/rGO 异质结构表面实现了 Li2S 的均匀径向沉积。

 

 

  图5、LSB 的电化学性能

 

  图6、低 E/S 比和 LSB 袋式电池的性能
点击并应用
  3小结
  在 LSB 的实际工作条件下,S8 向 Li2S 的转化是交叉进行的,而不是逐步进行的。推进 Li2S 的沉积可以减少液态多硫化物的积累,从而提高 LSB 的稳定性。因此,我们设计了一种分层花瓣球形 GeS2-MoS2 “蝴蝶 ”材料,以同时加速 LiPSs 的转化和 Li2S 的沉积。丰富的催化异质界面和 Fdd2 GeS2 与图片之间的晶格匹配性增强了对 LiPSs 的吸附,并引导 Li2S 以三维模型生长,从而始终为电子和离子提供传输通道,改善氧化还原反应动力学。上述优势实现了在放电过程中将 Li2S 的沉积从 20% 提高到约 80% SOC,从而实现了稳健的 LSB。所设计的阴极具有出色的长期循环性能,在 3C 温度下循环 1000 次,容量保持率为 68.63%。在 6.5 mg cm-2 的高硫负荷和 10 μL mg-1 的低 E/S 比条件下,实现了 837.9 mA h g-1 的高初始容量。此外,使用 S@GeS2-MoS2/rGO 电极的袋式 LSB 电池的实用比能量可达 388.8 W h kg-1。基于这些令人着迷的优势,这项工作为设计用于电池和其他先进储能的异质结构催化剂提供了一条有用的途径。
  文献:

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