由于緩慢的氧化還原動力學、不可控的多硫化物穿梭和不可逆的鋰枝晶生長，鋰硫 (Li-S) 電池的效率和穩(wěn)定性仍然有限。 在此，我們報告了在 3D 分級還原氧化石墨烯/碳納米管骨架 (ZCNC@GC) 上的異質(zhì)結(jié)構(gòu) ZnO/Co
3O
4 納米晶體的雙功能復(fù)合材料。ZCNC的強極性有利于多硫化物的吸附和鋰的均勻沉積，抑制多硫化物穿梭和鋰枝晶的生長。同時，微/納米界面場效應(yīng)與整體網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電骨架相結(jié)合，建立了平滑、分層的導(dǎo)電通路，促進了電荷轉(zhuǎn)移，從而加速了反應(yīng)動力學。 因此，完整的電池在 5 C 下的倍率性能為 652 mAh g
-1，在 5 C 下 500 次循環(huán)的容量衰減僅為 0.034%，超過了大多數(shù) Li-S 電池。 這項工作為電極材料的界面工程提供了一個視角，用于制造內(nèi)置電場以促進 Li-S 電池系統(tǒng)。
圖 1. 應(yīng)用于鋰硫電池的雙功能復(fù)合電極示意圖。 (a) ZCNC@GC 主機的層次結(jié)構(gòu)。 致密的 ZCNC 在均勻的多孔支架上生長，以建立具有充分利用界面電場的分層導(dǎo)電通路。 (b) S-ZCNC@GC的配置|| Li-ZCNC@GC全電池及界面電場加速電荷轉(zhuǎn)移的作用。作為鋰復(fù)合負極，ZCNC@GC 確保了鋰的均勻沉積并抑制了鋰枝晶。 作為 S 復(fù)合正極，ZCNC@GC 抑制多硫化物穿梭并加速 S 氧化還原動力學。
圖 2. ZCNC@GC 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)表征。 (a-c) SEM、(d) TEM、(e) HRTEM 和 (f) ZCNC@GC 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的元素映射圖像。 (g) XRD 圖案，(h) Zn 2p 和 (i) Co 2p 的 ZnO@GC、Co
3O
4@GC 和 ZCNC@GC 的高分辨率 XPS 光譜。 Co
3+/Co
2+ 比率保持在 1:2 不變。
圖 3. LiPS 在 ZnO、Co
3O
4 和 ZnO/Co
3O
4 異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面吸附和轉(zhuǎn)化的理論和實驗研究。 (a) 計算的 ZnO、Co
3O
4和ZnO/Co
3O
4的投影態(tài)密度 (pDOS)。 (b) 正視圖和側(cè)視圖異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電荷密度差異，其中黃色和青色等值面分別呈現(xiàn)電荷積累和耗盡。（棕色球，O 原子；淡藍色球，Zn 原子；深青色球，Co 原子；黃色球，S 原子）。（c）相應(yīng)的平面平均電子密度差異作為 Z 位置的函數(shù)。 (d) 在 ZnO、Co
3O
4 和 ZnO/Co3O4 異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面還原 LiPS 的能量分布。 (e) Li
2S 在 ZnO/Co
3O
4上的分解能壘。（IS，初始結(jié)構(gòu)；TS，過渡結(jié)構(gòu)；FS，最終結(jié)構(gòu)）。 (f) 在 Li
2S
6 溶液中浸泡 12 小時后，不同樣品插入照片的紫外-可見光譜。 (g) 具有不同陰極的 Li
2S
6對稱電池在 1 mV s
-1的掃描速率下的 CV 曲線。 (h) Li
2S
8/四甘醇二甲醚溶液在不同表面上的恒電位放電曲線，電壓為 2.05 V。 (i, j) 在 0.5 C 的第一個循環(huán)期間，電解質(zhì)相對于 S-ZCNC@GC 陰極的操作拉曼光譜。
圖4 ZCNC@GC異質(zhì)結(jié)對枝晶生長的抑制作用的理論和實驗研究。 (a) ZCNC@GC異質(zhì)結(jié)構(gòu)支架中電流密度分布的模擬。 (b) ZCNC@GC異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極和 (c) 裸鋰電極在鋰成核過程中的局部電場相對強度分布模型。 (d) Li-ZCNC@GC和裸鋰負極表面形貌的原位光學顯微鏡圖像。 (e) 使用不同陽極的對稱電池在 50 mA cm
-2 電流密度和 1 mAh cm
-2 面積容量下的循環(huán)性能。 (f) 使用 Li-ZCNC@GC 負極和各種鋰金屬復(fù)合負極的對稱電池在不同電流密度下的循環(huán)壽命比較。所有對稱電池均以 1 mAh cm
-2 的固定容量循環(huán)。
圖 5. Li-S 電池的電化學性能。 (a) 第一循環(huán) CV 曲線的比較。 (b) 0.5 C 時的恒電流充放電曲線。(c) S-ZCNC@GC 在不同電流密度下的倍率能力|| Li-ZCNC@GC, S-ZnO@GC ||Li, S−Co3O4@GC ||Li和S-GC ||Li電池。 (d, e) 不同電池分別在 0.5 和 2 C 下的長期循環(huán)壽命和相應(yīng)的庫侖效率的比較。 (f) S-ZCNC@GC 的循環(huán)性能 || Li-ZCNC@GC 電池在 0.2 C 時硫負載量為 3 mg cm
-2，在 0.3 C 時負載量為 5 mg cm
-2。
相關(guān)研究成果由南京大學和南洋理工大學Hao Wang、Pan Xue和Jong-Min Lee等人2022年發(fā)表在ACS Materials Letters (https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00266)上。原文：Hierarchically Constructed ZnO/Co
3O
4 Nanoheterostructures Synergizing Dendrite Inhibition and Polysulfide Conversion in Lithium–Sulfur Battery。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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