NML研究文章 | 超轻氮硫共掺杂石墨烯:提升锂硒电池性能

 


本文亮点

1  采用简单真空抽滤法制备了一种自支撑超轻氮硫共掺杂石墨烯膜。

2  共掺杂超轻石墨烯膜用作“液硒电极”的阻挡层,有效避免了充放电过程中的“多硒离子穿梭”效应。

3  共掺杂石墨烯膜可吸附多硒离子,使得锂硒电池具有良好的循环稳定性和倍率特性。


内容简介

随着人们对日用电子消费产品以及电动汽车的要求不断提高,发展高能量密度的电池体系早已是大势所趋。锂硫电池因具有很高的理论体积能量密度(3467 mA h/cm3),有望显著提高电动汽车的续航里程,但是在充放电过程中如何抑制多硫离子溶解和避免锂枝晶产生一直制约着锂硫电池的发展和使用。锂硒电池具有可与锂硫电池相媲美的超高体积比容量(3253 mAh/cm3 vs. 3467 mAh/cm3),而且硒的导电性和电化学活性都远远高于硫,但是锂硒电池存在一些难以克服的问题,主要表现在:(1)充放电过程中产生多硒化物会带来穿梭效应,在很大程度上影响Li-Se电池的循环寿命;(2)电极发生体积膨胀;(3)较低的电子电导率和离子传输速率。

图1 Li-Se电池目前面临的主要问题

北京大学侯仰龙教授和重庆工商大学古兴兴副研究员等利用合成出的自支撑超轻氮硫共掺杂石墨烯膜作为液硒电极阻挡层,有效抑制了多硒化物的产生,避免了充放电过程中的“多硒离子穿梭”效应,实现了锂硒电池循环性和倍率性能的大幅提升。

此工作为制备高能量密度,长循环寿命的锂硒和钠硒电池提供了一种全新的策略方法。


图文导读

1  自支撑氮硫共掺杂石墨烯膜的结构及表

自支撑超轻石墨烯膜是由片状氮硫掺杂石墨烯通过层层自组装形成膜结构,该结构具有良好的可折叠性。

XPS研究结果表明合成的氮硫掺杂石墨烯具有非常高的氮掺杂含量和硫掺杂含量,为实现对多硒化锂的强化学吸附提供了可能。

2   电化学性能

如上图(a)(b)所示,使用了氮硫掺杂石墨烯阻挡层的液硒电极的极化程度大大降低,循环可逆性更好。

相比于未使用这种超轻氮硫共掺杂石墨烯阻挡层的锂硒电池,使用后的锂硒电池表现出了优异的循环性能,在675 mA/g的电流密度循环500圈,可逆容量仍保持在400 mAh/g左右。且其倍率性能也得到了极大的提升,在2700 mA /g的电流密度下,可逆容量仍高达约300 mAh/g。

作者简介

主要研究方向:

主要从事多功能磁性材料、新能源材料的控制合成及其在纳米生物医学与能源领域的应用探索研究。

课题组主页:

http://nbm.coe.pku.edu.cn/Home.html


主要研究方向:

① 二次电池(锂硫/硒电池,锂/钠离子电池)及其关键材料;

② 纳米多孔材料对环境污水中有机物及重金属离子的吸附 。


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