锂硫电池中硒缺陷WSe2催化性能的理论研究

doi:10.7503/cjcu20220595

摘要/Abstract

摘要：

二硒化钨具有优异导电性、高比表面积和大间距层状结构等特点, 能作为催化材料有效提升锂硫电池的性能; 然而少量的边缘活性位点阻碍了其催化活性的进一步提升. 通过引入原子空位制造表面缺陷, 可使其暴露更多的表面活性位点, 提高催化活性. 本文通过第一性原理计算考察了不同Se空位缺陷浓度(3.125%, 6.25%, 9.375%和12.5%)WSe₂表面的多硫化物吸附能力、锂离子迁移能力和多硫化物转化能力, 探究了缺陷改性硒化钨在锂硫电池中的应用潜力. 结果表明, 6.25%中等空位缺陷浓度的WSe₂表面具有适中的多硫化物吸附能力、快速的锂离子迁移和对于充电放电过程的同步促进作用, 是最优势的表面; 3.125%的低空位缺陷WSe₂表面对于多硫化物吸附、锂离子迁移和充放电过程均不利; 9.375%和12.5%的高空位缺陷WSe₂表面虽然有利于锂离子迁移, 但是对于短链多硫化物的吸附能力过强，同时不利于放电过程.

关键词: 锂硫电池, 二硒化钨, 硒缺陷, 催化作用, 第一性原理

Abstract:

Due to the excellent electrical conductivity， high specific surface area and large interlayer spacing， WSe₂ has been used as catalytic material to effectively improve the electrochemical performance of lithium sulfur batteries. However， the active sites are concentrated at the few edges， which hinders the further improvement of catalytic activity. Manufacturing surface defects can expose more surface active sites and improve catalytic activity. Herein， theoretical study was carried out on the polysulfide adsorption， lithium ion migration and polysulfide conversion of selenium-deficient WSe₂ with different vacancy concentrations（3.125%， 6.25%， 9.375% and 12.5%）， to explore the application potential of Se-deficient WSe₂ in Li-S batteries. It is revealed that medium vacancy concentration WSe₂（6.25%） has moderate polysulfide adsorption capacity， rapid lithium ion migration and synchronous promotion to charge and discharge process， which is the most advantageous surface. In comparison， the low vacancy（3.125%） defect surface is unfavorable to polysulfide adsorption， lithium ion migration and charge-discharge process. For the high vacancy defect surface（9.375% and 12.5%）， although it is conducive to the lithium migration， it has too strong short chain polysulfides adsorption and unfavorable discharge process. The results provide theoretical guidance for the application of defective tungsten selenide in lithium sulfur battery.

Key words: Lithium-sulfur battery, WSe₂, Selenium deficiency, Catalytic effect, First-principle

中图分类号:

O646

TrendMD:

胡平澳, 张琪, 张会茹. 锂硫电池中硒缺陷WSe₂催化性能的理论研究. 高等学校化学学报, 2023, 44(2): 20220595.

HU Pingao, ZHANG Qi, ZHANG Huiru. Theoretical Prediction on the Catalytic Effect of Selenium-deficient WSe₂ in Lithium-sulfur Batteries. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(2): 20220595.

图/表 7

Fig.1 Top view of the WSe2 surface models with different vacancy concentrationsThe vacancy concentrations of 0（A）， 3.125%（B）， 6.25%（C）， 9.375%（D） and 12.5%（E）， which are labeled as WSe2（0）， WSe2（1）， WSe2（2）， WSe2（3） and WSe2（4）， respectively.

Fig.2 Stable adsorption configurations of S8(A), Li2S8(B), Li2S6(C), Li2S4(D), Li2S2(E) and Li2S(F) on five vacancy surfacesCorresponding adsorption energies are also given. Here purple， yellow， khaki and blue balls symbolize lithium， sulfur， selenium and tungsten atoms， respectively. Bond lengths are in nm.

Fig.3 Comparison of the adsorption energies of S8 and Li2S n (n=8, 6, 4, 2, 1) on five vacancy surfacesThe corresponding polysulfide configuration is shown above the adsorption energy. Here purple and yellow balls symbolize lithium and sulfur atoms， respectively.

Fig.4 Charge density difference of Li2S8 on the surface of WSe2(0)(A), WSe2(1)(B), WSe2(2)(C) and Li2S on the surface of WSe2(0)(D), WSe2(2)(E), WSe2(4)(F)

Fig.5 Energy profiles for Li diffusion on surfaces of WSe2(0)(A), WSe2(1)(B), WSe2(2)(C), WSe2(3)(D) and WSe2(4)(E), comparison of Li diffusion energy barriers on five vacancy surfaces(F)The structure insets show the migration paths of lithium ions， total energy density on five vacancy surfaces and part of the atomic charge（unit of charge： |e|）. The yellow and cyan regions represent positive charge and negative charge， respectively.

Fig.6 Free energy diagrams for charging⁃discharging process at zero potential(U=0 V), equilibrium(U0), charging(UC) and discharging(UDC) potentials on the five vacancy surfaces of WSe2(0)(A), WSe2(1)(B), WSe2(2)(C), WSe2(3)(D) and WSe2(4)(E), discharge(ηDC) and charging(ηC) overpotentials and their sum(ηTOT) for five vacancy surfaces(F)

Fig.7 PDS of charging⁃process(A) and discharging⁃process(B) on the WSe2(0), WSe2(1) and WSe2(2) surfaces

参考文献 60

1	Peng H. J.， Huang J. Q.， Cheng X. B.， Zhang Q.， Adv. Energy Mater.， 2017， 7， 1700260
2	Geng C. N.， Hua W. X.， Ling G. W.， Tao Y.， Zhang C.， Yang Q. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（5）， 1331—1339
	耿传楠，化五星，凌国维，陶莹，张辰，杨全红. 高等学校化学学报， 2021， 42（5）， 1331—1339
3	Fang R.， Zhao S.， Sun Z.， Wang D. W.， Cheng H. M.， Li F.， Adv. Mater.， 2017， 29， 1606823
4	Shi Z.， Ding Y.， Zhang Q.， Sun J.， Adv. Energy Mater.， 2022， 12， 2201056
5	Chen M.， Shao M.， Jin J.， Cui L.， Tu H.， Fu X.， Energy Stor. Mater.， 2022， 47， 629—648
6	Liang Z. W.， Shen J. D.， Xu X. J.， Li F. K.， Liu J.， Yuan B.， Yu Y.， Zhu M.， Adv. Mater.， 2022， 34， 2200102
7	Zhao M.， Li B. Q.， Peng H. J.， Yuan H.， Wei J. Y.， Huang J. Q.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 12636—12652
8	Han F. C.， Li F. J.， Chen L.， He L. Y.， Jiang Y. N.， Xu S. D.， Zhang D.， Qi L.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（8）， 20220163
	韩付超，李福进，陈良，贺磊义，姜玉南，徐守冬，张鼎，其鲁. 高等学校化学学报， 2022， 43（8）， 20220163
9	Shi H.， Lv W.， Zhang C.， Wang D. W.， Ling G.， He Y.， Kang F.， Yang Q. H.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28， 1800508
10	Huang Y. P.， Sun X. G.， Li R.， Liang G. D.， Wei C. C.， Hu H.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（11）， 2375—2381
	黄雅盼，孙晓刚，李锐，梁国东，魏成成，胡浩. 高等学校化学学报， 2019， 40（11）， 2375—2381
11	Wang H.， Zhang W.， Xu J.， Guo Z.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28， 1707520
12	Chen M. S.， Zhang H. R.， Zhang Q.， Liu J. Q.， Wu Y. C.， Chem. J. Chinese Universities， 2021 ， 42（8）， 2540—2549
	陈铭苏，张会茹，张琪，刘家琴，吴玉程. 高等学校化学学报， 2021 ， 42（8）， 2540—2549
13	Wang Y.， Zhang R.， Pang Y. C.， Chen X.， Lang J.， Xu J.， Xiao C.， Li H.， Xi K.， Ding S.， Energy Stor. Mater.， 2019， 16， 228—235
14	Wu T.， Cong L. N.， Sun L. Q.， Xie H. M.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（7）， 1661—1669
	吴桐，丛丽娜，孙立群，谢海明. 高等学校化学学报， 2020， 41（7）， 1661—1669
15	Tong Z.， Huang L.， Lei W.， Zhang H.， Zhang S.， J. Energy Chem.， 2021， 54， 254—273
16	Xiao Z.， Li Z.， Meng X.， Wang R.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 22730—22743
17	Yuan Z.， Peng H.， Hou T.， Huang J.， Chen C.， Wang D.， Cheng X.， Wei F.， Zhang Q.， Nano Lett.， 2016， 16， 519—527
18	Liu J.， Xiao S.， Zhang Z.， Chen Y.， Xiang Y.， Liu X.， Chen J.， Chen P.， Nanoscale， 2020， 12， 5114—5124
19	Ma L.， Zhang W.， Wang L.， Hu Y.， Zhu G.， Wang Y.， Chen R.， Chen T.， Tie Z.， Liu J.， Jin Z.， ACS Nano， 2018， 12， 4868—4876
20	Li J.， Han S.， Zhang J.， Xiang J.， Zhu X.， Liu P.， Li X.， Feng C.， Xiang B.， Gu M.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 19898—19908
21	Liu Z.， Zhao H.， Li N.， Zhang Y.， Zhang X.， Du Y.， Inorg. Chem. Front.， 2016， 3， 313—319
22	Zhang C. Q.， Fei B.， Yang D. W.， Zhan H. B.， Wang J. A.， Diao J. F.， Li J. S.， Henkelman G.， Cai D. P.， Biendicho J. J.， Morante J. R.， Cabot A.， Adv. Funct. Mater.， 2022， 32， 2201322
23	Li H. J.， Xi K.， Wang W.， Liu S.， Li G. R.， Gao X. P.， Energy Stor. Mater.， 2022， 45， 1229—1237
24	Wang P.， Sun F. H.， Xiong S. L.， Zhang Z. C.， Duan B.， Zhang C. H.， Feng J. K.， Xi B. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2022， 61， e202116048
25	Wang H.， Zhang Q.， Yao H.， Liang Z.， Lee H. W.， Hsu P. C.， Zheng G.， Cui Y.， Nano Lett.， 2014， 14， 7138—7144
26	Gao X.， Yang X.， Li M.， Sun Q.， Liang J.， Luo J.， Wang J.， Li W.， Liang J.， Liu Y.， Wang S.， Hu Y.， Xiao Q.， Li R.， Sham T. K.， Sun X.， Adv. Funct. Mater.， 2019， 29， 1806724
27	Guo T.， Song Y.， Sun Z.， Wu Y.， Xia Y.， Li Y.， Sun J.， Jiang K.， Dou S.， Sun J.， J. Energy Chem.， 2020， 42， 34—42
28	Mahankali K.， Thangavel N. K.， Gopchenko D.， Arava L. M. R.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12， 27112—27121
29	Wang H. E.， Li X.， Qin N.， Zhao X.， Cheng H.， Cao G.， Zhang W.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 12068—12074
30	Jayan R.， Islam M. M.， J. Phys. Chem. C， 2020， 124， 27323—27332
31	Wang J. Y.， Zhao Y.， Li G. R.， Luo D.， Liu J. B.， Zhang Y. G.， Wang X.， Shui L. L.， Chen Z. W.， Nano Energy， 2021， 84， 105891
32	Lin H.， Yang L.， Jiang X.， Li G.， Zhang T.， Yao Q.， Zheng G. W.， Lee J. Y.， Energy Environ. Sci.， 2017， 10， 1476—1486
33	Ci H.， Cai J.， Ma H.， Shi Z.， Cui G.， Wang M.， Jin J.， Wei N.， Lu C.， Zhao W.， Sun J.， Liu Z.， ACS Nano， 2020， 14， 11929—11938
34	Zhang Q.， Zhang X. F.， Li M.， Liu J. Q.， Wu Y. C.， Appl. Surf. Sci.， 2019， 487， 452—463
35	Lian Z.， Yang M.， Jan F.， Li B.， J. Phys. Chem. Lett.， 2021， 12， 7053—7059
36	Feng S.， Fu Z. H.， Chen X.， Zhang Q.， InfoMat， 2022， 4， e12304
37	Chen X.， Liu X. Y.， Shen X.， Zhang Q.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60， 24354—724366
38	Olanrele S. O.， Lian Z.， Si C. W.， Chen S.， Li B.， J. Energy Chem.， 2020 ， 49， 7147—7152
39	Ma X. X.， Shen X.， Chen X.， Fu Z. H.， Yao N.， Zhang R.， Zhang Q.， Small Struct.， 2022， 3， 2200071
40	Grimme S.， Antony J.， Ehrlich S.， Krieg H.， J. Chem. Phys.， 2010， 132， 154104
41	Delley B.， J. Chem. Phys.， 2000， 113， 7756—7764
42	Perdew J. P.， Wang Y.， Phys. Rev. B， 1992， 45， 13244—13249
43	Perdew J. P.， Chevary J. A.， Vosko S. H.， Jackson K. A.， Pederson M. R.， Singh D. J.， Fiolhais C.， Phys. Rev. B， 1992， 46， 6671—6687
44	Inada Y.， Orita H.， J. Comput. Chem.， 2008， 29， 225—232
45	Hay P. J.， Wadt W. R.， J. Chem. Phys.， 1985， 82， 299—310
46	Chadi D. J.， Phys. Rev. B， 1977， 16， 1746—1747
47	Govind N.， Petersen M.， Fitzgerald G.， King⁃Smith D.， Andzelm J.， Comput. Mater. Sci.， 2003， 28， 250—258
48	Yu M.， Zhou S.， Wang Z.， Wang Y.， Zhang N.， Wang S.， Zhao J.， Qiu J.， Energy Stor. Mater.， 2019， 20， 98—107
49	Le D.， Rawal T. B.， Rahman T. S.， J. Phys. Chem. C， 2014， 118， 5346—5351
50	Tsai C.， Li H.， Park S.， Park J.， Han H. S.， Norskov J. K.， Zheng X.， Abild⁃Pedersen F.， Nat. Commun.， 2017， 8， 15113
51	Hong J. H.， Hu Z. X.， Probert M.， Li K.， Lv D.， Yang X.， Gu L.， Mao N. N.， Feng Q. L.， Xie L.， Zhang J.， Wu D. Z.， Zhang Z. Y.， Jin C. H.， Ji W.， Zhang X. X.， Yuan J.， Zhang Z.， Nat. Commun.， 2015， 6， 6293
52	Zhang S.， Wang C. G.， Li M. Y.， Huang D.， Li L. J.， Ji W.， Wu S. W.， Phys. Rev. Lett.， 2017， 119， 046101
53	Lin Y. C.， Björkman T.， Komsa H. P.， Teng P. Y.， Yeh C. H.， Huang F. S.， Lin K. H.， Jadczak J.， Huang Y. S.， Chiu P. W.， Krasheninnikov A. V.， Suenaga K.， Nat. Commun.， 2015， 6， 6736
54	Wang Y.， Zhang R.， Chen J.， Wu H.， Lu S.， Wang K.， Li H.， Harris C. J.， Xi K.， Kumar R. V.， Ding S.， Adv. Energy Mater.， 2019， 9， 1900953
55	Shen Z. H.， Jin X.， Tian J. M.， Li M.， Yuan Y. F.， Zhang S.， Fang S. S.， Fan X.， Xu W. G.， Lu H.， Lu J.， Zhang H. G.， Nat. Catal.， 2022， 5， 555—563
56	Jiang H. L.， Gu S. H.， Guo J.， Dai Y.， Zheng W. J.， Jiang X. B.， Wu X. M.， Xiao W.， He G. H.， Li X. C.， Energy Stor. Mater.， 2022， 45， 370—379
57	Zhao Y. F.， Wu L.， Yu Y.， Dai Y. Q.， Liao B.， Pang H.， Dalton Trans.， 2022， 51， 11665—11674
58	Li X.， Zhang Y.， Wang S.， Liu Y.， Ding Y.， He G.， Zhang N.， Yu G.， Nano Lett.， 2020， 20， 701—708
59	Yang Z.， Zhao Z. Y.， Zhou H. R.， Cheng M. H.， Yan R.， Tao X. F.， Li S.， Liu X. K.， Cheng C.， Ran F.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2021， 13， 51174—51185
60	Li N. R.， Yu L. H.， Xi J. Y.， Small， 2021， 17， 2103001

[1]	吴钰洁, 黄文治, 潘俊达, 石凯祥, 刘全兵. “蛋黄-蛋壳”结构纳米反应器的设计、调控及在锂硫电池正极中的应用研究[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(1): 20220619.
[2]	韩付超, 李福进, 陈良, 贺磊义, 姜玉南, 徐守冬, 张鼎, 其鲁. CoSe₂/C复合电催化材料修饰隔膜对高载量锂硫电池性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220163.
[3]	尹肖菊, 孙逊, 赵程浩, 姜波, 赵晨阳, 张乃庆. 单原子催化剂在锂硫电池中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220076.
[4]	张诗昱, 何润合, 李永兵, 魏士俊, 张兴祥. 辐照交联制备低分子量聚丙烯腈纤维锂硫电池正极材料及其储硫机理[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210632.
[5]	陈铭苏, 张会茹, 张琪, 刘家琴, 吴玉程. 锂硫电池中钴磷共掺杂MoS₂催化性能的第一性原理研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2540.
[6]	李义山, 郭亮, 彭思凡, 张庆茂, 张瑜皓, 徐诗淇. 钴掺杂锰酸镧光催化剂的第一性原理与可见光响应光催化性能研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1881.
[7]	耿传楠, 化五星, 凌国维, 陶莹, 张辰, 杨全红. 锂硫电池中的催化作用: 材料与表征[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1331.
[8]	李锐, 孙晓刚, 邹婧怡, 何强. 含羟基磷灰石纳米线复合夹层的高性能锂硫电池[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1866.
[9]	吴桐, 丛丽娜, 孙立群, 谢海明. 氧缺位结构介孔二氧化钛/聚乙烯复合隔膜在锂硫电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(7): 1661.
[10]	王霞, 刘彦吉, 贾永锋, 吉磊, 胡全丽, 段莉梅, 刘景海. 含氮多孔纳米碳纤维的制备及对锂硫电池容量的提高[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 829.
[11]	李新, 陈良, 马晓涛, 张鼎, 徐守冬, 周娴娴, 段东红, 刘世斌. V₂O₃空心球的制备及在锂硫电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(9): 1972.
[12]	官亦标, 李万隆, 谢潇怡, 曲薇, 沈进冉, 傅凯, 郭翠静, 周淑琴, 范红家, 褚永金, 陈人杰. TiO₂/CNTs复合材料涂覆隔膜的制备及在锂硫电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(3): 536.
[13]	黄雅盼, 孙晓刚, 李锐, 梁国东, 魏成成, 胡浩. 三(2-羧乙基)膦阻隔层对锂硫电池穿梭效应的抑制[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(11): 2375.
[14]	王杰, 孙晓刚, 陈玮, 李旭, 黄雅盼, 魏成成, 胡浩, 梁国东. 羟基化多壁碳纳米管三明治隔膜对锂硫电池电化学性能的改善[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(8): 1782.
[15]	刘晶微, 于广涛, 沈小朋, 黄旭日, 陈巍. 全氟化和部分氟化锗纳米条带电学和磁学性质的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(5): 977.

锂硫电池中硒缺陷WSe₂催化性能的理论研究

Theoretical Prediction on the Catalytic Effect of Selenium-deficient WSe₂ in Lithium-sulfur Batteries

RichHTML

PDF (PC)

补充材料

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 60

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价