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喬世璋團(tuán)隊(duì)最新Angew.:首次報(bào)道!構(gòu)建優(yōu)異性能的K-S電池
來源: 時(shí)間:2023-04-14 14:02:18 瀏覽:2693次

第一作者:Chao Ye、Jieqiong Shan

通訊作者:喬世璋教授

通訊單位:阿德萊德大學(xué)

DOI: 10.1002/anie.202301681


研究背景

在可充電金屬-硫電池(M-S)中,硫電極可以與金屬陽極結(jié)合,顯示出良好的儲(chǔ)能潛力,但M-S電池中的硫還原反應(yīng)(SRR)和硫氧化反應(yīng)(SOR)涉及各種固態(tài)單質(zhì)硫、金屬二硫化物和金屬硫化物之間的轉(zhuǎn)換。這些固態(tài)硫化物轉(zhuǎn)換的高動(dòng)力學(xué)瓶頸,導(dǎo)致在低倍率下也有很大的過電位和轉(zhuǎn)換不完全,使放電容量低和容量衰減快。此外,緩慢的固態(tài)硫化物轉(zhuǎn)化會(huì)加劇可溶性多硫化物的擴(kuò)散,造成嚴(yán)重的“穿梭效應(yīng)”。由于不同含硫物種的復(fù)雜性,在M-S電池中固態(tài)硫化物轉(zhuǎn)化機(jī)理的闡明和反應(yīng)途徑的認(rèn)識(shí)仍有待完成,這阻礙了高效催化硫宿主材料的合理設(shè)計(jì)?;诖耍?/span>澳大利亞阿德萊德大學(xué)喬世璋教授等人以鉀-硫電池為模型體系,首次降低了過渡金屬單原子S宿主在亞穩(wěn)態(tài)S32-中間體介導(dǎo)下的固態(tài)硫化物轉(zhuǎn)化的過電位。


文章要點(diǎn)

1、作者采用雜金屬摻雜沸石咪唑骨架熱解的合成策略,制備了一系列過渡金屬單原子裝飾氮摻雜碳(TM-N4,TM=Mn、Fe、Co、Ni、Cu)的硫宿主,并探索了一系列TM-N4單原子硫主機(jī)上固態(tài)K2S3-K2S轉(zhuǎn)化的催化作用,以揭示反應(yīng)機(jī)理,并展示了獲得優(yōu)異K-S電池性能的途徑。

2、所設(shè)計(jì)的Cu-N4硫宿主具有促進(jìn)S32-的亞穩(wěn)定中間體和加速固態(tài)K2S3-K2S轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明,S/Cu-N4硫電極在比電流密度分別為335和1675 mA g-1時(shí),初始放電容量分別為1595和1226 mAh g-1,CE值也較高。

3、通過光譜分析和DFT計(jì)算,建立了不同S/TM-N4電極的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。結(jié)果表明,硫氧化還原過程中TM-S鍵的強(qiáng)度與TM-S鍵的d軌道填充密切相關(guān),從而顯著影響固相轉(zhuǎn)換反應(yīng)的過電位。


圖文展示


圖1.過渡金屬單原子材料和NC上的固態(tài)硫化物轉(zhuǎn)化示意圖


圖2. K-S電池中的K2S3-K2S的固相轉(zhuǎn)化法

圖3. 固相轉(zhuǎn)化法中的亞穩(wěn)定態(tài)S32-中間體

圖4. S/TM-N4電極的電化學(xué)性能

圖5.S/TM-Na電極的電子結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系

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