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陆俊/王利光/刘铁峰JACS:铜纳米团簇尺寸效应实现持久钠储存

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研究内容

钠硫电池中多硫化物(PSs)的有限转化效率仍然是实现硫优化利用和稳定循环的关键瓶颈。虽然铜基材料有望锚定PSs,但铜纳米结构在循环过程中的动态演变及其与PSs的尺寸依赖性相互作用知之甚少。

浙江大学陆俊/王利光/刘铁峰揭示了一种尺寸控制的电化学机制,其中Cu纳米簇(<1 nm)动态调节Cu2S和CuS之间的相变,实现可逆的硫氧化还原化学。铜箔(S@C−Cu)阴极上的S负载碳提供了超稳定的循环(在5 A g−1下进行3000次循环后为1164.9 mAh g−l)和高面积容量(袋式电池中为3.68 mAh cm−2)。这种尺寸效应驱动的相变可推广到Cu9S5、Cu2S、NiS2和CoS2。相关工作以“Cu Nanocluster Size Effect Inducing the Transformation of Polysulfides to Cu2S/CuS for Durable Sodium Storage”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1. 作者研究了铜纳米结构尺寸和硫氧化还原化学之间的动态相互作用,表明铜箔衍生的纳米簇(<1 nm)驱动了尺寸依赖的Cu2S/CuS相变,调节了PSs转化途径。

要点2. 在放电过程中,Cu纳米簇自发地与长链PS反应形成Cu2S钝化层,有效地抑制多硫化物的穿梭,提高循环过程中的容量保持率。随着循环的进行,Cu纳米簇在还原过程中产生,并在循环后变小,显著降低了Cu2S到CuS转化的能量,实现了动力学上容易的硫再生。同时,CuS和Cu纳米簇协同催化PSs-to-S转化。

要点3. 这种双相调解策略利用内在尺寸效应而不是外在催化剂,在3000次循环中实现了94.4%的硫利用率,容量衰减可以忽略不计。3.68 mAh cm−2的钠硫电池袋式电池在10 mA cm−2中实现了200多次循环。在Cu9S5、Cu2S、NiS2和CoS2类似物中也可以观察到这种现象

通过将原子尺度铜动力学与宏观电池性能相关联,这项工作推进了对硫电化学的基本理解,并为实用的高能钠硫系统开辟了道路。

研究图文

图1. Na2S6溶液吸附前后的(a)WAXS散射图和(b)相应的2D WAXS图。Cu箔表面中产物的(c)SEM和(d,e)TEM。(f)Na2Sx在Cu和Al表面上的吸附能。简化的活化能图显示了铜和铝表面吸附相中的Na2S4(绿线)、Na2S6(红线)和Na2S8(蓝线)氧化,通过化学反应产生(g)Cu2S和(h)CuS。(i)含有Na2Sx的电解质中的Cu||Na,扫描速率为20 mV s-1。

图2.(a)不同循环后的充放电曲线。不同循环后(b)S 2p和(c)Cu LMM俄歇的高分辨率XPS光谱。(d)不同状态下的异位拉曼光谱。原始S@C样品(e)和600次循环后的样品(f)在0.2 A g−1下的原位XRD。(g−i)不同循环后S@C样品与不同循环后相应铜箔的SEM。

图3.(a−f)第一次充电(a,d)、第40次充电(b,e)和第40次放电(C,f)后S@C的TEM。在总二次离子碎片(g)和选定的二次离子片段(h)循环600次后,从S@C电极获得的深度分布。(i)600次循环后S、C、Cu和F的TOFSIMS深度剖面的3D重建图像。不同循环后S@C的S(j)和Cu(k)k边的X射线吸收光谱。(l)不同循环后R空间中S@C的K3加权EXAFS光谱。

图4.稳态下的裂解产物机制。

图5.(a)原始电极和(b)在0.1 mV s-1下循环600次后的电极的CV。(c)DQ/DV曲线,(d)塔菲尔图,以及(e)不同循环后的DRT曲线。(f)不同扫描速率下600次循环后S@C阳极的CV以及(g)还原峰的相应拟合线。(h)GITT曲线和(i)不同循环后S@C阳极的计算扩散系数DNa+。

文献详情

Cu Nanocluster Size Effect Inducing the Transformation of Polysulfides to Cu2S/CuS for Durable Sodium Storage

Canpei Wang, Mengting Zheng, Tiefeng Liu,* Liguang Wang,* Jun Lu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c05478

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