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2021-06-01

Adv. Funct. Mater. 上海大學研發介孔納米棒三元金屬硫/碳復合電極材料

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引語
鋰離子電池正逐步應用在大型電動設備上,開發高容量、長壽命和倍率性能優異的電池材料是鋰電池研究*為重要的關鍵。上海大學環境與化學工程學院王勇教授課題組組*近在該領域取得下列研究成果:以雙金屬有機骨架為前驅體設計得到了一種多孔碳納米管復合材料,用于鋰離子電池的負極,表現出很高的容量和優異的循環及倍率性能。

成果簡介
該研究團隊通過設計出在多孔十二面體中生長具有N-S共摻雜碳層的碳納米管復合材料。該材料是以雙金屬有機骨架(BMOF)為前軀體,經過化學氣相沉積和硫化過程兩步反應得到。

因該復合材料(liao)中兩種(zhong)金屬硫化物的(de)(de)(de)協同(tong)作用、十二(er)面體的(de)(de)(de)多孔(kong)結(jie)構、N-S共摻雜碳(tan)層的(de)(de)(de)形成(cheng)和根深(shen)蒂固的(de)(de)(de)碳(tan)納米管網狀結(jie)構,使得該材料(liao)作為鋰離(li)子(zi)電池負極展現出良好的(de)(de)(de)電化學性(xing)能。循(xun)環性(xing)能優異:在100 mA g?1電流(liu)密(mi)度下(xia),循(xun)環250圈(quan)后,仍保持容(rong)量941 mAh g?1 比(bi)容(rong)量(超過其理論(lun)比(bi)容(rong)量)。在1,2,5 Ag-1 電流(liu)密(mi)度下(xia)循(xun)環500圈(quan)后仍分別具有734、591、505 mAh g?1比(bi)容(rong)量,說明其具有較好的(de)(de)(de)倍率性(xing)能。

簡(jian)介
方案設計:示意圖說明由雙金屬有機骨架(Co/Zn-ZIF- 67)在經化學氣相沉淀過程得到中間體Co/Co3Zn@N-C-CNT,進而經硫化過程合成*終產物Co-Zn-S@N-S-C-CNT復合材料。同時由于Co元素的催化作用,小的碳納米管形成并深深扎根在十二面體產物中。

本材料的特點為雙金屬有機骨架(Co/Zn-ZIF-67),所以采取單原子金屬骨架(Co-ZIF-67)為基準,研究其性能。
a)Co/Zn-ZIF-67和Co-ZIF-67的X射線衍射譜圖;
b)Co/Co3ZnC@N-C-CNT 和Co@N-C-CNT的X射線衍射譜圖;
c)Co-Zn-S@N-S-C-CNT和CoS2@N-S-C-CNT的X射線衍射譜圖;
d)Co-Zn-S@N-S-C-CNT和 CoS2@N-S-C-CNT拉曼光譜圖.


  中間產物Co/Co3ZnC@N-C-CNT的形貌表征。
a,b) SEM圖, c) EDS 譜圖, d–f) TEM圖。


終產物Co-Zn-S@N-S-C-CNT的形貌表征a,b) SEM 圖,c–f) TEM 圖, g,h) HRTEM 圖,可清晰看到多面體中生長的碳納米管, i) 選區電子衍射圖,展現良好的多晶結構, j)元素分析圖。


  對比樣中間產物Co@N-C-CNT的形貌表征:a,b) SEM 圖;c,d) TEM圖;
對比樣終產物CoS2@N-S-C-CNT的形貌表征:e,f) SEM圖,g,h) TEM圖, i) HRTEM圖, j)元素分析圖。

電化學性能測試
a)Co-Zn-S@N-S-C-CNT的CV圖,插圖放大區域對應的是該電位下Li-Zn合金的脫合金化過程;
b) Co-Zn-S@N-S-C-CNT在0.1, 1, 2,和5 C (1 C = 1000 mA g?1) 下的首圈充放電曲線;
c) Co-Zn-S@N-S-C-CNT 和CoS2@N-S-C-CNT在電流密度為100 mA g?1 (0.1 C)下的循環性能對比;
d) Co-Zn-S@N-S-C-CNT的倍率性能。

這樣一(yi)個精心設計的(de)(de)具有特殊結構的(de)(de)三(san)元金(jin)屬硫/碳復(fu)合材料(liao)有望(wang)成為未來儲(chu)能家族中的(de)(de)新(xin)候選。

文獻鏈接:Carbon Nanotubes Rooted in Porous Ternary Metal Sulfide@N/S-Doped Carbon Dodecahedron: Bimetal-Organic-Frameworks Derivation and Electrochemical Application for High-Capacity and Long-Life Lithium-Ion Batteries.(Adv. Funct. Mater., 2016, DOI:10.1002/adfm.201601631)


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