西工大：阶梯式多孔碳-多层石墨烯@Fe3C/Fe3N膜，用于锂硫电池

成果简介

锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度（2600 Wh kg -1）而被认为是最突出的面向未来的能源电池系统之一。然而，多硫化物的穿梭效应和短循环寿命严重阻碍了它们的商业化。本文，西北工业大学严熠博教授与中国科学技术大学朱纪欣特任教授等研究人员在《Adv. Sustain. Syst.》期刊发表名为“Stepped Porous Carbon-Multilayer Graphene@Fe3C/Fe3N Membrane to Inhibit the Polysulfides Shuttle for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries”的论文，研究通过简便的相转化方法开发了碳-多层石墨烯（MG）@Fe3C/Fe3N的阶梯式多孔异质结构膜，并将其用作集流体以代替铝箔。

具有MG的特殊异质结构膜可以进一步提高电荷/Li +离子传输速度，同时适应充电/放电循环中的体积膨胀。多硫化物的穿梭效应受到Fe3C/Fe3N催化效应和化学吸附的异质结构相的抑制。这种协同效应通过密度函数理论 (DFT) 计算得到证实。因此，C-MG@Fe3C/Fe3N膜在2C（0.5 C ) 400次循环（300次循环）后，每个循环只有0.36%的容量衰减。这些结果表明，C-MG@Fe 3 C/Fe 3 N 膜可以提供出色的电池集流体来替代Li-S电池中的铝箔。该技术还提供了一种为电池和其他领域制备各种膜的新方法。

图文导读

图1、a) C-MG@Fe3C/Fe3N膜的反相制备示意图。b) C-MG@Fe3C/Fe3N膜的XRD图谱。c) MCNT-S在N2气氛下在10 °C min -1下从 30 到 800 °C 的 TGA 曲线。d) C-MG@Fe 3 C/Fe 3 N、C-MG、纯C膜的拉曼光谱。e、f、g）分别为C-MG@Fe 3 C/Fe 3 N膜的高分辨率C 1s、N 1s和Fe 2p XPS光谱。

图2、a, b, c) 纯 C 膜的 SEM 图像。分别为C-MG膜和C-MG@Fe3C/Fe3N膜。d, e, f) 纯C膜的横截面SEM图。分别为C-MG膜和C-MG@Fe3C/Fe3N膜。g) C-MG@Fe3C/Fe3N膜的TEM图像。h, i) C-MG@Fe3C/Fe3N膜的HRTEM图像。

图3、a）铝箔包覆碳和C-MG@Fe3C/Fe3N膜电极在0.2 mV s -1下的CV曲线。b) 铝箔包覆碳和C-MG@Fe3C/Fe3N膜电极在0.1C下的恒电流充电/放电曲线。c) 0.1C下充电/放电曲线的详细信息。d) 倍率性能C-MG@Fe3C/Fe3N膜电极和铝箔涂层碳从0.1–2–0.1C. e) C-MG@Fe3C/Fe3的恒电流充电/放电曲线不同速率下的N膜电极。f）基于不同集电极的锂硫电池的奈奎斯特图。g) 基于不同集电极的Li-S电池在2C下的长期循环寿命性能，前5圈在0.1 C下活化。

图4、a, b, c) 纯C、C-MG和C-MG@Fe 3 C/Fe 3 N膜阴极分别在0.1到0.5 mV s -1的不同扫描速率下的CV曲线。d, e, f) 峰值电流和扫描速率之间的线性拟合曲线关系，分别对应于纯 C、C-MG 和 C-MG@Fe 3 C/Fe 3 N 膜的 CV 扫描曲线。g, h) C-MG@Fe 3 C/Fe 3 N 膜和铝箔包覆碳分别作为 Li-S 电池中的集电器的 Li +离子扩散模型。

图5、a) 不同膜在 Li2S6溶液中的吸附实验6h。b) 不同电极的Li2S6对称电池的CV曲线。c) Li-S电池中C-MG@Fe 3C/Fe3N电极的示意图。d) Li2S6扩散实验的数码照片，1-7：隔膜/C-MG@Fe3C/Fe3N；8-14：纯分离器。e, f) Li2S和Li2S4分子在Fe3(031)上最稳定吸附构型的第一性原理计算C，分别。g, h) Li2S 和 Li2S4分子分别在Fe3N (111) 上的最稳定吸附构型的第一性原理计算。

小结

在这项工作中，我们成功开发了一种阶梯式多孔结构膜 C-MG@Fe3C/Fe3N，作为先进 Li-S电池的硫承载材料。该转相合成方法简单，易于大规模制备，具有商业化可行性。这项工作为制备用于锂硫电池的碳基质膜提供了一种新策略，并为其他能源领域提供了启示。

文献：

https://doi.org/10.1002/adsu.202200086