2020-06-01

Adv. Funct. Mater. 上海大学研发介孔纳米棒三元金属硫/碳复合电极材料

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引语
锂离子电池正逐步应用在大型电动设备上,开发高容量、长寿命和倍率性能优异的电池材料是锂电池研究*为重要的关键。上海大学环境与化学工程学院王勇教授课题组组*近在该领域取得下列研究成果:以双金属有机骨架为前驱体设计得到了一种多孔碳纳米管复合材料,用于锂离子电池的负极,表现出很高的容量和优异的循环及倍率性能。

成果简介
该研究团队通过设计出在多孔十二面体中生长具有N-S共掺杂碳层的碳纳米管复合材料。该材料是以双金属有机骨架(BMOF)为前躯体,经过化学气相沉积和硫化过程两步反应得到。

因该复合材料中两种金属硫化物的协同作用、十二面体的多孔结构、N-S共掺杂碳层的形成和根深蒂固的碳纳米管网状结构,使得该材料作为锂离子电池负极展现出良好的电化学性能。循环性能优异:在100 mA g−1电流密度下,循环250圈后,仍保持容量941 mAh g−1 比容量(超过其理论比容量)。在1,2,5 Ag-1 电流密度下循环500圈后仍分别具有734、591、505 mAh g−1比容量,说明其具有较好的倍率性能。

简介
方案设计:示意图说明由双金属有机骨架(Co/Zn-ZIF- 67)在经化学气相沉淀过程得到中间体Co/Co3Zn@N-C-CNT,进而经硫化过程合成*终产物Co-Zn-S@N-S-C-CNT复合材料。同时由于Co元素的催化作用,小的碳纳米管形成并深深扎根在十二面体产物中。

本材料的特点为双金属有机骨架(Co/Zn-ZIF-67),所以采取单原子金属骨架(Co-ZIF-67)为基准,研究其性能。
a)Co/Zn-ZIF-67和Co-ZIF-67的X射线衍射谱图;
b)Co/Co3ZnC@N-C-CNT 和Co@N-C-CNT的X射线衍射谱图;
c)Co-Zn-S@N-S-C-CNT和CoS2@N-S-C-CNT的X射线衍射谱图;
d)Co-Zn-S@N-S-C-CNT和 CoS2@N-S-C-CNT拉曼光谱图.


  中间产物Co/Co3ZnC@N-C-CNT的形貌表征。
a,b) SEM图, c) EDS 谱图, d–f) TEM图。


终产物Co-Zn-S@N-S-C-CNT的形貌表征a,b) SEM 图,c–f) TEM 图, g,h) HRTEM 图,可清晰看到多面体中生长的碳纳米管, i) 选区电子衍射图,展现良好的多晶结构, j)元素分析图。


  对比样中间产物Co@N-C-CNT的形貌表征:a,b) SEM 图;c,d) TEM图;
对比样终产物CoS2@N-S-C-CNT的形貌表征:e,f) SEM图,g,h) TEM图, i) HRTEM图, j)元素分析图。

电化学性能测试
a)Co-Zn-S@N-S-C-CNT的CV图,插图放大区域对应的是该电位下Li-Zn合金的脱合金化过程;
b) Co-Zn-S@N-S-C-CNT在0.1, 1, 2,和5 C (1 C = 1000 mA g−1) 下的首圈充放电曲线;
c) Co-Zn-S@N-S-C-CNT 和CoS2@N-S-C-CNT在电流密度为100 mA g−1 (0.1 C)下的循环性能对比;
d) Co-Zn-S@N-S-C-CNT的倍率性能。

这样一个精心设计的具有特殊结构的三元金属硫/碳复合材料有望成为未来储能家族中的新候选。

文献链接:Carbon Nanotubes Rooted in Porous Ternary Metal Sulfide@N/S-Doped Carbon Dodecahedron: Bimetal-Organic-Frameworks Derivation and Electrochemical Application for High-Capacity and Long-Life Lithium-Ion Batteries.(Adv. Funct. Mater., 2016, DOI:10.1002/adfm.201601631)


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