西安交大：由氮/氧双掺杂蜂窝状碳实现的硫主体用于先进锂硫电池

成果简介

锂硫（Li-S）电池的高能量密度和长循环寿命受到穿梭/膨胀效应的影响。足够的硫储存空间、多硫化物的局部固定和出色的导电性对于坚固的阴极主体至关重要。本文，西安交通大学刘艳、柳永宁等研究人员在《Small》期刊发表名为“A Highly Efficient Sulfur Host Enabled by Nitrogen/Oxygen Dual-Doped Honeycomb-Like Carbon for Advanced Lithium–Sulfur Batteries”的论文，提出了一种改进的模板方法来合成高度规则和均匀的氮/氧双掺杂蜂窝状碳作为硫主体（N/O-HC-S）。独特的结构不仅为多硫化物 (LiPS) 提供物理包埋，还为多硫化物提供化学吸附和催化转化位点。

此外，这种结构为装载硫提供了足够的空间，纳米尺寸的规则空间可以有效防止硫颗粒的聚集。正如所料，所制备的 N/O-HC900-S 具有高面积硫负载量（7.4 mg cm-2 ) 在0.2 C时显示出7.35mAh cm -2的高面积比容量。理论计算还表明，LiPS 的强化学固定和催化转化归因于碳原子的自旋密度和电荷分布将受到邻居的影响氮/氧掺杂剂。这种为LiPSs提供协同化学吸附、高锂离子通量和催化转化的结构可以为构建多硫化物限制结构以实现稳健的Li-S电池提供新的策略。

图文导读

图1、a) 制造N/O-HC900-S 的示意图。b-d）不同放大倍数的 N/O-HC900的SEM图像。e,f) N/O-HC900不同放大倍率的TEM图像。g) N/O-HC900-S的高倍TEM图像。h-l) N/O-HC900-S的STEM图像和EDS映射。

图2、a) XRD 图，b) 拉曼光谱，c) TGA 曲线，d) N2吸附/解吸等温线，和 e) N/O-HC700、N/O-HC800、N/O-HC900的孔径分布曲线， N/O-HC1000；四个样品的孔体积插图程序。f) N/O-HC900的完整XPS光谱。g,h,i) 分别为C1s、N1s 和O1s的精细 XPS光谱。

图3、a) 具有四种主体材料的电池的循环伏安法，扫描速率为0.1mV s –1，电压范围为 1.7-2.8 V，插图是还原峰范围1.9-2.12V的放大倍数。四种主体材料的Tafel图b) 还原和 c) 氧化过程。d) 对称电池的计时电流曲线。2.02 V 时的恒电位放电曲线：e) N/O-HC700、f) N/O-HC800、g) N/O-HC900和h)N/O-HC1000。

图4、a) 不同样品在Li2S6溶液中浸泡2小时后的紫外-可见光谱。b) CV图 Li 2 S 6具有各种电极的对称电池。c) N/O-HC900-S圆柱电池的LED卡测试。d) 新鲜pp分离器。e-h) 朝向阴极，i-l) 朝向阳极的40次循环电池隔膜的SEM图像，其中 e,i) N/O-HC700-S, f,j) N/O-HC800-S, g,k ) N/O-HC900-S 和 h,l) N/O-HC1000-S。m) 基于四种主体材料的隔膜在 0.2C下循环40次后的XRD图案。n) 循环后隔膜上颗粒的SEM图像和EDS映射。o) N/O-HC900 对多硫化物的理论几何构型和吸附能。p) N/O-HC900 上吸附的多硫化物的电荷密度，电荷积累：黄色区域，电荷耗尽：青色区域。

图5、a）具有各种电极的电池中锂金属沉积的示意图。b) 新鲜锂阳极的顶视图和 g) 侧视图。c) N/O-HC700-S 电池中 50 次循环锂阳极的俯视图和 h) 侧视图。d) 顶视图和 i) 带有 N/O-HC800-S 的电池中 50 次循环锂阳极的侧视图。e) N/O-HC900-S 电池中 50 次循环锂阳极的顶视图和 j) 侧视图。f) 具有 N/O-HC1000-S 的电池中 50 次循环锂阳极的顶视图和 k) 侧视图。在50个循环后，来自具有 N/O-HC900-S 的电池的 (l,m) 新鲜锂阳极和 (n,o) 锂阳极的AFM高度图像。p) (m,o) 图像对应的测量距离高度图。

小结

总之，一种高度规则和均匀的氮/氧掺杂蜂窝状碳已被设计为用于先进锂硫电池的多硫化物限制正极材料。通过对其碳化温度的筛选，结合了氮氧杂原子的强吸附能力和良好的催化活性以及多孔碳的高导电性等优点，制备了如此大面积、高度规则的氮氧杂原子可控的多孔结构。这项工作为构建硅藻掺杂的高度规则多孔碳提供了一种简便的方法，促进了对氮氧共掺杂碳对LiPSs协同机制的理解，并为开发先进的 Li-S电池提供了前瞻性策略。

文献：

https://doi.org/10.1002/smll.202107380