高穩(wěn)定性的充電機(jī)充電鋰硫電池正極材料的碳包覆介孔氮化釩納米線薄膜解析
2017-9-23 10:20:38??????點(diǎn)擊：
【導(dǎo)言】
因?yàn)槔碚撃芰棵芏雀哌_(dá)2560Wh/kg，充電機(jī)充電鋰硫電池被認(rèn)為是最有遠(yuǎn)景的儲能體系之一。雖然經(jīng)過了幾十年的開展，但是充電機(jī)充電鋰硫電池的大規(guī)模使用依然遭到一些要素的約束，其間中間產(chǎn)品多硫化物的絡(luò)繹效應(yīng)以及硫的導(dǎo)電功用差是最杰出的問題。近年來，除了選用各種高比表面碳對多硫化物進(jìn)行物理約束外，研究人員也測驗(yàn)將極性的金屬氧化物（如SiO2，TiO2，MnO2，V2O5）和硫化物（如TiS2，WS2，CoS2）參加硫電極中來，然后有用地吸附可溶性多硫化物，按捺絡(luò)繹效應(yīng)，改進(jìn)充電機(jī)充電鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。然而大多數(shù)金屬氧化物與硫化物導(dǎo)電性差，嚴(yán)峻阻止了電子傳導(dǎo)，然后導(dǎo)致了低的硫利用率和較差的倍率功用。因而需求尋覓具有高電導(dǎo)率和強(qiáng)吸附才能的電極資料來進(jìn)一步進(jìn)步充電機(jī)充電鋰硫電池的功用。
【成果簡介】
9月10日，Nano Energy宣布題為“自支撐的碳包覆介孔氮化釩納米線薄膜作為高穩(wěn)定性的充電機(jī)充電鋰硫電池正極資料”（Freestanding carbon encapsulated mesoporous vanadium nitride nanowires enable highly stable sulfur cathodes for lithium-sulfur batteries）的研究論文，榜首作者為武漢科技大學(xué)博士生李星星，通訊作者為武漢科技大學(xué)的高標(biāo)和華中科技大學(xué)的霍開富。
【本文亮點(diǎn)】
碳包覆介孔氮化釩納米線（MVN@C NWs）核殼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢：
（1）具有高導(dǎo)電性的多孔VN作為內(nèi)核，不只為硫單質(zhì)供給了負(fù)載空間，而且為電子的快速傳輸供給了通道；
（2）VN內(nèi)核的化學(xué)吸附效果和微孔碳外殼的物理阻撓效果協(xié)同按捺了多硫化物的絡(luò)繹效應(yīng)，極大地進(jìn)步了循環(huán)功用；
（3）多孔結(jié)構(gòu)的VN能夠習(xí)慣蓄電池充電機(jī)充放電進(jìn)程中硫的體積改變；
（4）VN內(nèi)核具有優(yōu)異的催化功用，能夠有用加快多硫化物向固態(tài)硫化鋰的改變動力學(xué)；
（5）S/MVN@C NWs自支撐薄膜由相互交織納米線組成，無需任何的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，進(jìn)步了硫載量，并表現(xiàn)出杰出的柔性。
【圖文導(dǎo)讀】
圖（a）S/MVN@C NWs制備進(jìn)程示意圖以及在蓄電池充電機(jī)充放電進(jìn)程中按捺絡(luò)繹效應(yīng)的示意圖。
以氧化釩納米線為前驅(qū)物，經(jīng)過簡略的多巴胺包覆和氨氣處理，以及后續(xù)硫的負(fù)載來獲得S/MVN@C NWs 薄膜電極。因?yàn)閂N和微孔碳層對多硫化物表現(xiàn)出強(qiáng)的化學(xué)吸贊同有用的物理阻止效果，然后有用地按捺了多硫化合物的絡(luò)繹效應(yīng)并進(jìn)步循環(huán)穩(wěn)定性。
S/MVN@C NWs結(jié)構(gòu)與成分表征。
結(jié)合電鏡圖片和面掃成果能夠看出硫納米顆粒巨細(xì)為2-5nm，而且首要散布在VN的介孔中。S/MVN@C NWs電極最高硫載量可達(dá)82.6wt%。
（a, b）分別為S/MVN@C NWs的TEM圖和HR-TEM圖；
（c）為S/MVN@C NWs的STEM圖片，和S、V、C元素的面掃；
（d）為S/MVN@C NWs組成的柔性電極的相片和厚度；
（e）為不同硫載量S/MVN@C NWs的熱重圖；
（f）MVN@C NWs負(fù)載硫前后的XRD圖。
S/MVN@C NWs電極功用圖
S/MVN@C NWs因?yàn)榫哂谢瘜W(xué)吸贊同物理阻止兩層效果以及高的電導(dǎo)率，使得電極資料在不同載量條件下都具有很好的穩(wěn)定性。一起在高電流條件下，仍能保持較高的比容量。
（a）S/MVN@C NWs不同載量的循環(huán)功用圖；
（b）S/MVN、S/CNT以及S/MVN@C NWs的倍率功用圖；
（c）S/MVN、S/CNT以及S/MVN@C NWs的循環(huán)功用圖。
VN對多硫化物的吸附才能的表征
證明了VN對多硫化物的化學(xué)吸附首要來源于兩者之間構(gòu)成強(qiáng)的V-S鍵。
（a）不同樣品多硫化物溶液吸附功用；
（b）圖（a）中的上層清液紫外可見吸收光譜圖；
（c, d）200次循環(huán)后樣品的V 2p和S 2p XPS圖譜。
S/MVN@C NWs在1C電流下循環(huán)200圈前后的SEM圖
循環(huán)前后的描摹并沒有顯著的改變，證明多孔的核殼結(jié)構(gòu)能夠很好的緩沖在蓄電池充電機(jī)充放電進(jìn)程中的硫的體積改變。
（a, b）S/MVN@C NWs在1C電流下循環(huán)200圈前后的SEM圖
【小結(jié)】
本作業(yè)規(guī)劃了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的S/MVN@C NWs作為的充電機(jī)充電鋰硫電池電極資料。VN內(nèi)核的化學(xué)吸附效果和催化功用以及微孔碳外殼的物理阻撓效果協(xié)同處理了多硫化物的絡(luò)繹效應(yīng)，能夠極大的進(jìn)步充電機(jī)充電鋰硫電池的循環(huán)功用。一起，這種由高導(dǎo)電性的多孔VN和碳組成核殼結(jié)構(gòu)不只能夠?yàn)殡娮拥目焖賯鬏敼┙o了通道，還能夠習(xí)慣蓄電池充電機(jī)充放電進(jìn)程中硫的體積改變。試驗(yàn)成果表明根據(jù)上述戰(zhàn)略而規(guī)劃的S/MVN@C NWs電極資料具有高的比容量，優(yōu)異的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性，在高功用充電機(jī)充電鋰硫電池范疇表現(xiàn)出潛在的使用遠(yuǎn)景。
因?yàn)槔碚撃芰棵芏雀哌_(dá)2560Wh/kg，充電機(jī)充電鋰硫電池被認(rèn)為是最有遠(yuǎn)景的儲能體系之一。雖然經(jīng)過了幾十年的開展，但是充電機(jī)充電鋰硫電池的大規(guī)模使用依然遭到一些要素的約束，其間中間產(chǎn)品多硫化物的絡(luò)繹效應(yīng)以及硫的導(dǎo)電功用差是最杰出的問題。近年來，除了選用各種高比表面碳對多硫化物進(jìn)行物理約束外，研究人員也測驗(yàn)將極性的金屬氧化物（如SiO2，TiO2，MnO2，V2O5）和硫化物（如TiS2，WS2，CoS2）參加硫電極中來，然后有用地吸附可溶性多硫化物，按捺絡(luò)繹效應(yīng)，改進(jìn)充電機(jī)充電鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。然而大多數(shù)金屬氧化物與硫化物導(dǎo)電性差，嚴(yán)峻阻止了電子傳導(dǎo)，然后導(dǎo)致了低的硫利用率和較差的倍率功用。因而需求尋覓具有高電導(dǎo)率和強(qiáng)吸附才能的電極資料來進(jìn)一步進(jìn)步充電機(jī)充電鋰硫電池的功用。
【成果簡介】
9月10日，Nano Energy宣布題為“自支撐的碳包覆介孔氮化釩納米線薄膜作為高穩(wěn)定性的充電機(jī)充電鋰硫電池正極資料”（Freestanding carbon encapsulated mesoporous vanadium nitride nanowires enable highly stable sulfur cathodes for lithium-sulfur batteries）的研究論文，榜首作者為武漢科技大學(xué)博士生李星星，通訊作者為武漢科技大學(xué)的高標(biāo)和華中科技大學(xué)的霍開富。
【本文亮點(diǎn)】
碳包覆介孔氮化釩納米線（MVN@C NWs）核殼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢：
（1）具有高導(dǎo)電性的多孔VN作為內(nèi)核，不只為硫單質(zhì)供給了負(fù)載空間，而且為電子的快速傳輸供給了通道；
（2）VN內(nèi)核的化學(xué)吸附效果和微孔碳外殼的物理阻撓效果協(xié)同按捺了多硫化物的絡(luò)繹效應(yīng)，極大地進(jìn)步了循環(huán)功用；
（3）多孔結(jié)構(gòu)的VN能夠習(xí)慣蓄電池充電機(jī)充放電進(jìn)程中硫的體積改變；
（4）VN內(nèi)核具有優(yōu)異的催化功用，能夠有用加快多硫化物向固態(tài)硫化鋰的改變動力學(xué)；
（5）S/MVN@C NWs自支撐薄膜由相互交織納米線組成，無需任何的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，進(jìn)步了硫載量，并表現(xiàn)出杰出的柔性。
【圖文導(dǎo)讀】
圖（a）S/MVN@C NWs制備進(jìn)程示意圖以及在蓄電池充電機(jī)充放電進(jìn)程中按捺絡(luò)繹效應(yīng)的示意圖。
以氧化釩納米線為前驅(qū)物，經(jīng)過簡略的多巴胺包覆和氨氣處理，以及后續(xù)硫的負(fù)載來獲得S/MVN@C NWs 薄膜電極。因?yàn)閂N和微孔碳層對多硫化物表現(xiàn)出強(qiáng)的化學(xué)吸贊同有用的物理阻止效果，然后有用地按捺了多硫化合物的絡(luò)繹效應(yīng)并進(jìn)步循環(huán)穩(wěn)定性。
S/MVN@C NWs結(jié)構(gòu)與成分表征。
結(jié)合電鏡圖片和面掃成果能夠看出硫納米顆粒巨細(xì)為2-5nm，而且首要散布在VN的介孔中。S/MVN@C NWs電極最高硫載量可達(dá)82.6wt%。
（a, b）分別為S/MVN@C NWs的TEM圖和HR-TEM圖；
（c）為S/MVN@C NWs的STEM圖片，和S、V、C元素的面掃；
（d）為S/MVN@C NWs組成的柔性電極的相片和厚度；
（e）為不同硫載量S/MVN@C NWs的熱重圖；
（f）MVN@C NWs負(fù)載硫前后的XRD圖。
S/MVN@C NWs電極功用圖
S/MVN@C NWs因?yàn)榫哂谢瘜W(xué)吸贊同物理阻止兩層效果以及高的電導(dǎo)率，使得電極資料在不同載量條件下都具有很好的穩(wěn)定性。一起在高電流條件下，仍能保持較高的比容量。
（a）S/MVN@C NWs不同載量的循環(huán)功用圖；
（b）S/MVN、S/CNT以及S/MVN@C NWs的倍率功用圖；
（c）S/MVN、S/CNT以及S/MVN@C NWs的循環(huán)功用圖。
VN對多硫化物的吸附才能的表征
證明了VN對多硫化物的化學(xué)吸附首要來源于兩者之間構(gòu)成強(qiáng)的V-S鍵。
（a）不同樣品多硫化物溶液吸附功用；
（b）圖（a）中的上層清液紫外可見吸收光譜圖；
（c, d）200次循環(huán)后樣品的V 2p和S 2p XPS圖譜。
S/MVN@C NWs在1C電流下循環(huán)200圈前后的SEM圖
循環(huán)前后的描摹并沒有顯著的改變，證明多孔的核殼結(jié)構(gòu)能夠很好的緩沖在蓄電池充電機(jī)充放電進(jìn)程中的硫的體積改變。
（a, b）S/MVN@C NWs在1C電流下循環(huán)200圈前后的SEM圖
【小結(jié)】
本作業(yè)規(guī)劃了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的S/MVN@C NWs作為的充電機(jī)充電鋰硫電池電極資料。VN內(nèi)核的化學(xué)吸附效果和催化功用以及微孔碳外殼的物理阻撓效果協(xié)同處理了多硫化物的絡(luò)繹效應(yīng)，能夠極大的進(jìn)步充電機(jī)充電鋰硫電池的循環(huán)功用。一起，這種由高導(dǎo)電性的多孔VN和碳組成核殼結(jié)構(gòu)不只能夠?yàn)殡娮拥目焖賯鬏敼┙o了通道，還能夠習(xí)慣蓄電池充電機(jī)充放電進(jìn)程中硫的體積改變。試驗(yàn)成果表明根據(jù)上述戰(zhàn)略而規(guī)劃的S/MVN@C NWs電極資料具有高的比容量，優(yōu)異的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性，在高功用充電機(jī)充電鋰硫電池范疇表現(xiàn)出潛在的使用遠(yuǎn)景。
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