欢迎来到化学加！萃聚英才，共享化学！化学加，加您更精彩！客服热线：400-8383-509

化学加_专业的精细化工医药产业资源供需及整合平台

入驻智库 查百科 发布供需
化学加小程序二维码
全部
科研技术
名家名企
医药生物
广告公益
材料化工
科普日化
政策法规
公司新闻
  1. 首页
  2. 资讯

郑州大学张建民、河南农大董玉涛：Te-CoTe2/rGO超薄纳米片硫宿主同步提升锂硫电池正、负极性能

来源：河南农业大学      2023-06-19
导读：郑州大学张建民教授团队和河南农业大学董玉涛教授团队合作通过一步水热法制备了二维Te-CoTe2/rGO超薄纳米片，作为锂硫电池中的硫宿主材料提高正极和负极电化学性能。
image.png


1、背景介绍：
锂硫电池因其高能量密度（2600 Wh kg-1）、低成本等优点被认为是极具潜力的下一代储能电池。但是可溶性中间产物多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应、硫物种缓慢的转化动力学、锂枝晶的不可控生长等问题导致循环过程中容量迅速下降，阻碍了锂硫电池的商业化。
为提高锂硫电池的循环稳定性，研究人员基于对多硫化锂的吸附-催化策略开发出了很多种硫宿主材料。以往报道的宿主材料主要起到保护硫正极的作用，在此我们开发了一种可以同时保护硫正极和锂负极的宿主材料。
2、研究方法：
(1)通过简单的一步水热法制备了超薄Te-CoTe2/rGO二维复合材料。
(2)吸附实验，Li2S沉积实验，对称电池等验证了材料对多硫化锂的吸附-催化作用。Li‖Cu半电池、Li‖Li对称电池等验证了材料对锂负极的保护作用。
(3)通过in-situ XRD和in-situ Raman测试探究了Li-S电池中硫物种的转化机理。
3、成果简介：
郑州大学张建民教授团队和河南农业大学董玉涛教授团队合作通过一步水热法制备了二维Te-CoTe2/rGO超薄纳米片，作为锂硫电池中的硫宿主材料提高正极和负极电化学性能。本论文的主要研究内容在于：（1）Te-CoTe2/rGO对多硫化锂优异的的吸附-催化作用可以有效保护硫正极；（2）Te-CoTe2/rGO中的单质Te与多硫化锂反应生成Li2TexSy，部分Li2TexSy在循环过程中迁移到锂负极表面，可以明显提高锂沉积/剥离的可逆性，从而起到保护锂负极的作用。相关成果以 “Two-birds with one stone: Improving both cathode and anode electrochemical performances via two-dimensional Te-CoTe2/rGO ultrathin nanosheets as sulfur hosts in lithium-sulfur batteries” 为题在Journal of Colloid and Interface Science上发表。
4、图文解析：

image.png

Fig. 1. (a) Schematic diagram of the sample synthesis process. (b) The XRD pattern of Te-CoTe2/rGO, (c) nitrogen adsorption-desorption isotherm and the pore size distribution (inset) of Te-CoTe2/rGO, (d) TGA curves of Te-CoTe2/rGO and CoTe2/rGO in air. SEM images of (e) Te-CoTe2/rGO, (f)CoTe2/rGO and (g) Te-CoTe2. (h, i) HRTEM images of Te-CoTe2/rGO. (j) Mapping of Te-CoTe2/rGO.

图1为材料的制备过程示意图以及材料的表征，SEM和TEM验证了Te-CoTe2/rGO复合材料的超薄二维结构。

image.png

Fig. 2. (a) UV‒vis spectra and photo (inside) of rGO, CoTe2/rGO (CTG), and Te-CoTe2/rGO (TCTG) after adsorption of Li2S6 solutions. XPS survey spectrum of Te-CoTe2/rGO (b) and elemental high-resolution XPS spectra of Co 2p before (c) and after (d) absorbing Li2S6 and Te 3d before (e) and after (f) absorbing Li2S6.

图2探究了Te-CoTe2/rGO对多硫化锂的吸附作用，证明了Te-CoTe2/rGO对多硫化锂有着强的吸附作用。

image.png

Fig. 3. (a) CV curves of S@Te-CoTe2/rGO, S@CoTe2/rGO and S@rGO cathodes at 0.1 mV s-1. The corresponding Tafel plots of (b) peak B in the reduction direction and (c) peak C in the oxidization direction. (d) CV curves of the S@Te-CoTe2/rGO cathode at different scan rates. (e, f) The corresponding linear fitting curves of the peak currents from 0.1 mV s-1 to 0.5 mV s-1. (g) CV curves of symmetric cells using Te-CoTe2/rGO, CoTe2/rGO and rGO electrodes with or without Li2S6 at a scan rate of 1 mV s-1. Potentiostatic nucleation curves of Li2S with the (h) Te-CoTe2/rGO electrode and (i) Te-CoTe2/rGO, CoTe2/rGO and rGO electrodes in the Li2S8 catholyte.

图3是关于材料催化作用的探究，可以发现Te-CoTe2/rGO对硫物种的转化具有较好的催化作用，有利于电子和Li+的快速传递，从而起到保护硫正极的作用。

image.png

Fig. 4. (a) Comparison between Li2S6 solution and [Li2S6 + Te] solution. (b) UV‒vis spectra of Li2S6 and [Li2S6 + Te]. (c) Raman spectra of Li2S6 and [Li2S6 + Te]. XPS spectra: (d) Te 3d of commercial Te, (e) Te 3d of [Li2S6 + Te], (f) S 2p of [Li2S6 + Te].

图4 通过紫外-可见光谱、拉曼光谱和XPS验证了Te-CoTe2/rGO中的单质Te与多硫化锂反应生成Li2TexSy。

image.png

Fig. 5. (a) CE of the Li‖Cu half cells with and without (w/o) Li2TexSy (LTS). (b, c) The corresponding selected voltage profiles. (d, e) Cycling stability of the Li‖Li symmetric cells with and without Li2TexSy. (f) Rate performances of the Li‖Li symmetric cells with Li2TexSy at different current densities. Surface morphology characterizations of (g) Li sheet before cycling, (h) Li sheet with Li2TexSy and (i) Li sheet without Li2TexSy after 100 cycles at 1 mA cm-2 for 1 mA h cm-2.

图5表明Li2TexSy可以明显提高锂沉积/剥离的可逆性，从而起到保护锂负极的作用。 

image.png

Fig. 6. (a) Rate performances and (b) the corresponding charge‒discharge profiles of S@Te-CoTe2/rGO, S@CoTe2/rGO and S@rGO cathodes at 0.2 C. (c) Charge‒discharge profiles of the S@Te-CoTe2/rGO cathode with different current densities. EIS spectra (d) before and (e) after 100 cycles. (f) Cycling performances of S@Te-CoTe2/rGO cathode at 0.5 C, 1 C and 2 C. (g) Cycling performance of the S@Te-CoTe2/rGO cathode under high sulfur loading. (h) Long cycling performances of S@Te-CoTe2/rGO and CoTe2/rGO cathodes.

图6表明Te-CoTe2/rGO对锂硫电池的双重保护作用有效提高了锂硫电池的电化学性能。

image.png

Fig. 7. (a, b) In situ XRD patterns and (c, d) in situ Raman curves of the S@Te-CoTe2/rGO cathode.

图7通过in-situ XRD和in-situ Raman测试探究了Li-S电池中硫物种的转化机理，在放电和充电过程中硫的转化过程为：α-S8 → Li2S8 → Li2S6 → Li2S4 → Li2S → Li2S4 → Li2S6 → β-S8。
5、总结与展望：
综上所述，本工作主要探究了具有双重保护作用的Te-CoTe2/rGO宿主材料在Li-S电池中的应用，通过一步水热法制备了具有双重保护作用的超薄Te-CoTe2/rGO材料，Te-CoTe2/rGO硫宿主对多硫化锂的吸附-催化作用有效保护了硫正极，同时Te-CoTe2/rGO中的单质Te与多硫化锂反应生成的Li2TexSy亦可以提高锂沉积/剥离的可逆性、保护锂负极。得益于其对锂硫电池的双重保护作用，S@Te-CoTe2/rGO电极在1 C时的初始放电容量为970.0 mA h g−1，在1000个循环后保留了56.23%的容量（545.5 mA h g−1），平均每个循环的容量衰减率仅为0.043%，明显低于S@CoTe2/rGO电极的0.056%。更重要的是这种双重保护作用的宿主材料的开发与实践，为提升Li-S电池的整体性能提供了一种新策略。
6、作者简介：
张建民，理学博士，郑州大学教授，博士生导师。主要人事能源电化学，材料电化学，电催化，新型功能材料的研究工作。主持国家自然科学基金、河南省自然科学基金、河南省科技攻关重点项目等10余项。《大学化学》编委，河南省化学会常务理事。在Chem. Sci., J. Energy Chem., J. Mater. Chem. A, Chem. Eur. J. 等主流学术期刊发表SCI 论文80余篇。
董玉涛，理学博士，河南农业大学校聘教授，硕士生导师。主要致力于动力电池相关储能材料的研究，重点开展了新型锂/钠离子电池电极材料、锂硫电池关键材料与器件功能导向设计、可控构筑和构效关系等方面的研究工作。主持河南省科技攻关、河南农业大学拔尖人才启动基金等项目。近五年以第一作者或通讯作者在Chem. Sci., J. Energy Chem., Nano Res., J. Colloid Interface Sci., ACS Appl. Mater. Interfaces等国际知名期刊发表SCI 论文二十余篇。更多详情：https://www.x-mol.com/groups/dong_yutao
文献全文链接：

Z. Cheng, M. Wang, Y. Dong, Y. Han, X. Yan, L. Xie, X. Zheng, L. Han, J. Zhang, Two-birds with one stone: Improving both cathode and anode electrochemical performances via two-dimensional Te-CoTe2/rGO ultrathin nanosheets as sulfur hosts in lithium-sulfur batteries, Journal of Colloid and Interface Science (2023), doi: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.06.037



声明：化学加刊发或者转载此文只是出于传递、分享更多信息之目的，并不意味认同其观点或证实其描述。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请作者持权属证明与本网联系，我们将及时更正、删除，谢谢。 电话：18676881059，邮箱：gongjian@huaxuejia.cn

投稿合作邮箱：gongjian@huaxuejia.cn