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天津工业大学马昌&史景利Carbon:柔性导电SnS2@H

行业资讯    2021-11-18 16:03

DOI: 10.1016/j.carbon.2021.08.004

 

作为新兴的储能系统,锂硫(Li-S)电池因其理想的能量密度而受到广泛关注。多硫化锂(LiPS)的穿梭效应和缓慢的电化学转化动力学是实现锂硫电池实际应用的两大瓶颈。在此,研究人员设计了一种柔性SnS2-中空碳纳米纤维(SnS2@HCNF)膜作为中间层以催化LiPS的转化。中空碳纳米纤维(HCNF)提供了加速LiPS氧化还原反应的电子通道,而SnS2实现了锂离子的快速传输和有效的催化途径,促进了Li2S的分解。由于HCNF和SnS2的协同作用,SnS2@HCNF赋予了锂硫电池较高的倍率性能(3C时为694mAh/g)和较低的容量衰减率(在1C下进行500次循环期间,每个循环的容量衰减率仅为0.056%)。本工作提出的设计策略和所制备的材料为开发可抑制穿梭效应的夹层铺平了道路。

 

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图1.SnS2@HCNF合成示意图。

 

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图2.所合成SnS2@HCNF的SEM和TEM图像。(a-c)SEM图像,(d)TEM图像,(e)HRTEM图像,(e)中的插图显示了相应的FFT衍射图谱。(f)SAED图谱,(g)HAADF-STEM图像以及(h)C、(i)S和(j)Sn的相应元素映射图像。

 

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图3.(a)SnS2@HCNF的XRD谱,(b)拉曼光谱,(c)XPS光谱图像。XPS高分辨率光谱图像:SnS2@HCNF的(d)C1s、(e)Sn3d和(f)S2p。

 

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图4.配备不同夹层的锂硫电池的电化学性能。(a)Li-S电池中间层结构示意图。(b)SnS2@HCNF-CNT/S在0.2C下进行不同循环的恒电流充放电曲线。(c)0.2C时的循环性能,(d)倍率性能。(e)SnS2@HCNF-CNT/S在不同电流密度下的恒电流充放电曲线,(f)EIS曲线。(g)SnS2@HCNF-CNT/S在1C下的长期循环性能,插图是使用基于SnS2@HCNF夹层的Li-S电池点亮LED的照片。

 

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图5.(a-c)0.1mV/s下的CV曲线。(d-f)不同扫描速率下的CV曲线。(g-i)基于Randles-Sevick方程的相应线性拟合。

 

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图6.(a)CNF、HCNF和SnS2@HCNF在Li2S6溶液中进行吸附试验的数码照片。(b)CNF、HCNF和SnS2@HCNF的对称虚拟电池的CV曲线。(c)在2.0V下放电的Li2S8/四乙二醇二甲醚溶液的计时电流曲线。(d-g)Li2Sx物种(n=2,4,6,8)在SnS2(001)和(h-k)石墨烯上吸附的构象。绿色、棕色、灰色和黄色球代表Li、C、Sn和S原子。

 

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图7.(a)SnS2(001)和石墨烯上的Li离子扩散以及(b)Li2S分解。(c)SnS2上的Li离子扩散路径和(d)Li2S分解路径。(e)SnS2@HCNF协同催化转化LiPS的示意图。