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韩国首尔国立大学 Yuanzhe Piao课题组--含有氧化铈纳米晶体的磷掺杂石墨烯纳米片作为高性能锂硫电池的有效硫载体

为了满足日益增长的市场对性能优异的储能设备的需求,高理论容量、高能量密度的锂硫电池(Li–S)得到了广泛研究。然而,要使Li–S电池真正?#24230;?/span>市场还需克服众多挑战,如多硫化物的溶解、体积膨胀、硫的导电性低等问题。本研究采用水热合成法和热处理工艺制备了分散性良好的氧化铈纳米晶,并固定在掺磷石墨烯上来作为有效的硫载体材料。氧化铈纳米晶/掺磷石墨烯(CeO2/PG)纳米复合材料具有高导电性、足够的储硫空间硫化物的强化学结合性,尤其是分散性良好的极性CeO2纳米晶,在循环过程中有效地表现出与多硫化物的化学亲和力,进一步促进了多硫化物的氧化还原反应。再者,磷的掺杂可为捕获多硫化物提供足够数量的活性位点,并增强石墨烯纳米片的整体电导率。因此,硫含?#35838;?/span>72.3 wt%[email protected]/PG阴极展现出较高的?#28909;?#37327;(0.1C下容?#35838;?/span>1287 mA h g−1)和良好的循环稳定性(1C100次循?#27867;?#23481;?#35838;?/span>577.7 mA h g−1)

Fig. 1 [email protected]2/PG复合材料的制备工艺及硫的转化过程示意图。

 

Fig. 2 CeO2/PG复合材料的形貌和结构表征。(a, b)低倍、高倍TEM图,(c)HRTEM图,(d)CeO2/PG复合材料的FFT图, (e) Ce, O, C, 和 PEDX图。

 

Fig. 3 [email protected]2/PG[email protected]2/G复合材料的形态及元素分布。 [email protected]2/PG复合材料的(a, b) TEM图和(c) EDX图,[email protected]/G复合材料的(d,e) TEM图和(f) EDX图。

 

Fig. 4 CeO2/PG[email protected]2/G复合材料与对比样品的表征。(a)XRD图谱,(b)Raman图谱,(c, d) 对样品进行热重分析,确定氧化铈和硫含量,(e, f) [email protected]2/PGCeO2/PGN2吸附-解吸等温线和孔径分布图。

 

Fig. 5 CeO2/PG复合材料的XPS图谱。

 

Fig. 6 [email protected]2/PG电极的电化学性能。(a) [email protected]/PG电极的CV图(0.1C1.7-2.8V),(b) 0.1 C[email protected]2/PG电极的充放电曲线,(c)不同电流密度下[email protected]2/PG[email protected]2/G[email protected]电极的倍率性能,(d) [email protected]2/PG[email protected]2/G[email protected]电极在1C下的循环稳定性,(e)1C下不同负载量的[email protected]2/PG电极的循环性能和库仑效率。

 

Fig. 7 CeO2/PG复合材料对多硫化物的吸附能力。(a, b)添加CeO2/PGCeO2/GGLi2S6溶液的颜色变化,(c) 吸附Li2S6 12小时后的UV曲线, (d, e) 1C循环100次后电极和隔膜的数码照片,(f, g, h) [email protected]2/PG[email protected]2/ g[email protected]循?#27867;?#30005;极的SEM图。

 

Fig. 8 电化学阻抗谱图。(a)初始电池和(b)循环100次后的 [email protected]2/PG[email protected]2/G[email protected]电极的EIS图。

相关研究成果于2019年韩国首尔国立大学 Yuanzhe Piao课题组,发表在Nanoscale上。原文:Phosphorus-doped graphene nanosheets anchored with cerium oxide nanocrystals as effective sulfur hosts for high performance lithium–sulfur batteries.

 
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