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

doi:10.7503/cjcu20220163

摘要/Abstract

摘要：

以具有菱形十二面体结构的ZIF-67为模板, 采用两步烧结法合成了CoSe₂/C复合材料, CoSe₂纳米颗粒直径约30 nm, 均匀分散在碳骨架上. 电化学测试结果表明, CoSe₂/C复合材料在放电过程中可以加快可溶性聚硫离子的还原反应动力学, 还能够促进不溶性Li₂S的沉积过程, 同时加速充电过程中Li₂S的氧化分解. 将CoSe₂/C作为电催化材料与碳材料混合后用于隔膜修饰, 修饰层面载量仅为0.15 mg/cm², 其中CoSe₂/C的质量分数仅占30%时, 电池依然表现出优异的电化学性能; 当硫载量为4.8 mg/cm²时, 在0.2C倍率下电池初始放电比容量为756 mA·h/g, 经过180次循环后, 容量依然能够维持715 mA·h/g, 每次衰减率仅为0.031%.

关键词: 锂硫电池, 电催化, 硒化钴, 隔膜修饰, 穿梭效应

Abstract:

Herein， CoSe₂/C composite was obtained by a simple two-step calcining method with the rhombohedral dodecahedral ZIF-67 as the template. The CoSe₂ nanoparticles with diameters of approximately 30 nm were dispersed in the carbon skeleton maintaining the structure of the template. Systematically electrochemical results demonstrated that the CoSe₂/C composite could fasten the kinetics of the soluble lithium polysulfides， as well as guide the deposition of the insoluble Li₂S during the discharge process. In addition， the CoSe₂/C could also boost the oxidation of Li₂S. It was loaded on commercial Celgard 2400 separators as the electrocatalytic materials. It is worth to note that the mass loading of the modified layer is only 0.15 mg/cm²， in which the CoSe₂/C composite only accounts for 30%（mass fraction）. Consequently， the cells with CoSe₂/C-modified separator delivered a superior electrochemical performance， which with a high sulfur loading of 4.8 mg/cm² gave an initial specific capacity of 756 mA·h/g at 0.2C and maintained at 715 mA·h/g after 180 cycles， with a capacity decay rate of 0.031% per cycle.

Key words: Li-S battery, Electrocatalysis, CoSe₂, Modified separator, Shuttle effect

中图分类号:

O646

TrendMD:

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. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220163.

HAN Fuchao, LI Fujin, CHEN Liang, HE Leiyi, JIANG Yunan, XU Shoudong, ZHANG Ding, QI Lu. Enhance of CoSe₂/C Composites Modified Separator on Electrochemical Performance of Li-S Batteries at High Sulfur Loading. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220163.

图/表 8

Fig.1 SEM images of ZIF?67(A), Co/C(B) and CoSe2/C(C)

Fig.2 XRD pattern(A), TEM image(B) and HRTEM image(C) of CoSe2/C

Fig.3 XPS spectra of survey(A), Co2p (B), and Se3d (C) for CoSe2/C

Fig.4 Electrocatalytic performance of CoSe2/C and SP toward various polysulfide involving reactions（A） Cyclic voltammetry curves of Li2S6 symmetric cells；（B） potentiostatic discharge profiles for the nucleation of Li2S；（C） Li2S nucleation and growth value with different electrode；（D） potentiostatic charge profiles for the dissolution of Li2S.

Fig.5 Cyclic voltammertry curves with CoSe2/C and SP modified separators(A), linear sweep voltammetry curves obtained from Fig.5(A)(B, C), GITT potential profiles of cells with CoSe2/C(D) and SP(E) modified separators, resistance of the cells as a function of normalized time of CoSe2/C and SP in lithium sulfur coin cells(F)（B，C） Insets are the corresponding Tafel plots.

Fig.6 LiPSs permeation test with SP(top) and CoSe2/C(bottom) modified separators of 5 min(A), 6 h(B), 12 h(C), and 24 h(D)

Fig.7 Rate performance of the cells with different separators(A), galvanostatic discharge/charge profiles from 0.2C to 4C for the cells with CoSe2/C modified separators(B), SP modified separators(C), and commercial separators(D) and cycle performance for the cells at 0.5C(E) of the cells with different separators

Fig.8 Cycle performance at high rate of 1C(A), rate performance of cells with a high sulfur loading of 3.8 mg/cm2(B), cycle performance of cells with a high sulfur loading of 4.8 mg/cm2 at 0.2C(C) of the cells with CoSe2/C modified separators

参考文献 44

1	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
2	Ye Z. Q.， Jiang Y.， Li L.， Wu F.， Chen R. J.， Adv. Mater.， 2020， 32（32）， 2002168
3	Gao R. H.， Zhang Q.， Zhao Y.， Han Z. Y.， Sun C. B.， Zhou G. M.， Adv. Funct. Mater.， 2022， 32， 2110313
4	Zhang M.， Chen W.， Hu Y.， Wang X. F.， Xiong J.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10（2）， 1903008
5	Guan Y. B.， Li W. L.， Xie X. Y.， Qu W.， Shen J. R.， Fu K.， Guo C. J.， Zhou S. Q.， Fan H. J.， Chu Y. J.， Chen R. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（3）， 536—541
	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. 高等学校化学学报， 2019， 40（3）， 536—541
6	Hua W. H.， Li H.， Pei C.， Qiao S. Z.， Wan Y.， Yang Q. H.， Adv. Mater.， 2021， 33（38）， 2101006
7	Wang X.， Liu Y. J.， Jia Y. F.， Ji L.， Hu Q. L.， Duan L. M.， Liu J. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（4）， 829—837
	王霞，刘彦吉，贾永锋，吉磊，胡全丽，段莉梅，刘景海. 高等学校化学学报， 2020， 41（4）， 829—837
8	Liang Q.， Chen J. D.， Zhou Y.， Li J. T.， Huang L.， Sun S. G.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 31（40）， 210451
9	Zhou G. M.， Yang A. K.， Gao G. P.， Yu X. Y.， Xu J. W.， Cui Y.， Sci. Adv.， 2020， 6（21）， eaay5098
10	Li X.， Chen L.， Ma X. T.， Zhang D.， Xu S. D.， Zhou X. X.， Duan D. H.， Liu S. B.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（9）， 1972—1978
	李新，陈良，马晓涛，张鼎，徐守冬，周娴娴，段东红，刘世斌. 高等学校化学学报， 2019， 40（9）， 1972—1978
11	Wang J.， Sun X. G.， Chen W.， Li X.， Huang Y. P.， Wei C. C.， Hu H.， Liang G. D.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（8）， 1782—1789
	王杰，孙晓刚，陈玮，李旭，黄雅盼，魏成成，胡浩，梁国东. 高等学校化学学报， 2018， 39（8）， 1782—1789
12	Song X. Q.， Tian D.， Qiu Y.， Zhang Y.， Fan L. S.， Zhang N. Q.， Energy Storage Mater.， 2021， 41，248—254
13	Xie J.， Li B. Q.， Peng H. J.， Song Y. W.， Zhang Q.， Huang J. Q.， Adv. Mater.， 2019， 31（43）， 1903813
14	Zhong Y. R.， Yin L.C.， He P.， Liu W.， Wu Z. S.， Wang H. L.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（4）， 1455—1459
15	Jiao L.， Zhang C.， Geng C. N.， Lv W.， Wan Y.， Yang Q.， H. Adv. Energy Mater.， 2019， 9（19）， 1900219
16	Liang X.， Kwok C. Y.， Lodi⁃Marzano F.， Pang Q.， Nazar L. F.， Adv. Energy Mater.， 2016， 6（6）， 1501636
17	Huang X. F.， ZhaoY.， Lin K. S.， Chen H. D.， Wang Z. L.， Hou X. H.， J. Colloid Interf. Sci.， 2022， 608（25）， 120—130
18	Li Y. H.， Yan X. J.， Zhou Z. F.， Liu J.， Zhang Z. H.， Li G. C.， Appl. Surf. Sci.， 2022， 574， 151586
19	Yang X. F.， Gao X. F.， Sun Q.， Zhang H. Z.， Zhang H. M.， Sun X. L.， Adv. Mater.， 2019， 31（25）， 1901220
20	Wu Z. L.， Chen S. X.， Wang L.， Deng Q.， Wang J.， Deng S. G.， Energy Storage Mater.， 2021， 38，381—388
21	Zhao Z. X.， Yi Z. L.， Li H. J.， Pathak R.， Wang X. M.， Qiao Q. Q.， Nano Energy， 2021，81，105621
22	Zhou J. B.， Liu X. J.， Zhu L. Q.， Zhu Y. C.， Wang G. M.， Qian Y. T.， Joule， 2018， 2（12）， 2681—2693
23	Deng D. R.， Xue F.， Bai C. D.， Yuan R. M.， Zheng M. S.， Dong Q. F.， ACS Nano， 2018， 12（11）， 11120—11129
24	Song N.， Xi B. J.， Wang P.， Ma X. J.， Chen W. H.， Xiong S. L.， Nano Research， 2021， 15（2）， 1424—1432
25	Song Y. Z.， Zhao W.， Ding F.， Zhang Q.， Sun J. Y.， Liu Z. F.， Energ. Environ. Sci.， 2018， 11（9）， 2620—2630
26	Tian W. Z.， Xi B. J.， Feng Z. Y.， Li H. B.， Feng J. K.， Xiong S. L.， Adv. Energy Mater.， 2019， 9（36）， 1901896
27	Ye Z. Q.， Jiang Y.， Yang T. Y.， Li L.， Wu F.， Chen R. J.， Adv. Sci.， 2022， 9（1）， 2103456
28	Chen L. F.， Xu Y. H.， Cao G. Q.， Li W. B.， Li X. F.， Adv. Funct. Mater.， 2022， 32（8）， 2107838
29	Zhou X. Y.， Luo X. Y.， Wang H.， Yang J.， Xu H. R.， Tang J. J.， J. Mater. Sci.， 2019， 54（13）， 9622—9631
30	Guo B. S.， Ma Q. R.， Zhang L. C.， Yang T. T.， Bao S. J.， Xu M. W.， Chem. Eng. J.， 2020， 413，127521
31	Wang M. X.， Fan L. S.， Sun X.， Guan B.， Zhang Y.， Zhang N. Q.， ACS Energy Lett.， 2020， 5（9）， 3041—3050
32	Yuan H.， Peng H. J.， Li B. Q.， Xie J.， Huang J. Q.， Zhang Q.， Adv. Energy Mater.， 2019， 9（1）， 1802768
33	Huang Y.， Fang Y. J.， Lu X. F.， Luan D. Y.， Lou X. W.， Angew. Chem. Int. Edit.， 2020， 132，20086
34	Zhong Y. R.， Yin L. C.， He P.， Liu W.， Wu Z.， Wang H. S.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（4）， 1455
35	Han W. L.， Zhao H. J.， Dong F.， Tang Z. C.， Nanoscale， 2018， 10（45）， 21307—201319
36	Ren Q. M.， Mo S. P.， Peng R. S.， Feng Z. Y.， Zhang M. Y.， Ye D. Q.， J. Mater. Chem. A， 2018， 6（2），498—509
37	Yuan B.， Hua D.， Gu X. X.， Shen Y.， Li S.， Huo F. W.， J. Energy Chem.， 2020， 48，128—135
38	Li Z.， Yuan L. X.， Yi Z. Q.， Liu Y.， Huang Y. H.， Nano Energy， 2014， 9， 229—236
39	Jing E. D.， Chen L.， Xu S. D.， Zhang D.， Bai Z. C.， Qiu X. Y.， J. Energy Chem.， 2022， 64， 574—582
40	Peng L. L.， Wei Z. Y.， Wan C. Z.， Huang Y.， Sautet P.， Duan X. F.， Nat. Catal.， 2020， 3（9）， 762—770
41	Fan F. Y.， Carter W. C.， Chiang Y. M.， Adv. Mater.， 2015， 27（35）， 5203—5209
42	Han Z. Y.， Zhao S. Y.， Xiao J. W.， Zhang Q. F.， Zhou G. M.， Cheng H. M.， Adv. Mater.， 2021， 33（44）， 2105947
43	Tian W. Z.， Xi B. J.， Mao H.， Zhang J. H.， Feng J. K.， Xiong S. L.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2018， 10（36）， 30306—30313
44	Yang X. Y.， Chen S.， Gong W. B.， Meng X. D.， Abruna H. D.， Geng J. X.， Small， 2020， 16（48）， 2004950

[1]	林高鑫, 王家成. 单原子掺杂二硫化钼析氢催化的进展和展望[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220321.
[2]	汪思聪, 庞贝贝, 刘潇康, 丁韬, 姚涛. XAFS技术在单原子电催化中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220487.
[3]	秦永吉, 罗俊. 单原子催化剂在CO₂转化中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220300.
[4]	姚青, 俞志勇, 黄小青. 单原子催化剂的合成及其能源电催化应用的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220323.
[5]	范建玲, 唐灏, 秦凤娟, 许文静, 谷鸿飞, 裴加景, 陈文星. 氮掺杂超薄碳纳米片复合铂钌单原子合金催化剂的电化学析氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220366.
[6]	王茹涵, 贾顺涵, 吴丽敏, 孙晓甫, 韩布兴. CO₂参与电化学构筑C—N键制备重要化学品[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220395.
[7]	彭奎霖, 李桂林, 江重阳, 曾少娟, 张香平. 电解液调控CO₂电催化还原性能微观机制的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220238.
[8]	王丽君, 李欣, 洪崧, 詹新雨, 王迪, 郝磊端, 孙振宇. 调节氧化镉-炭黑界面高效电催化CO₂还原生成CO[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220317.
[9]	赵润瑶, 纪桂鹏, 刘志敏. 吡咯氮配位单原子铜催化剂的电催化二氧化碳还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220272.
[10]	杨丽君, 于洋, 张蕾. 双功能2D/3D杂化结构Co₂P-CeO _x 异质结一体化电极的构筑及电催化尿素氧化辅助制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220082.
[11]	龚妍熹, 王建兵, 柴歩瑜, 韩元春, 马云飞, 贾超敏. 钾掺杂g-C₃N₄薄膜光阳极的制备及光电催化氧化降解水中双氯芬酸钠性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220005.
[12]	金湘元, 张礼兵, 孙晓甫, 韩布兴. 单原子催化剂在电催化还原CO₂领域的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220035.
[13]	陈朝阳, 薛玉瑞, 李玉良. 石墨炔零价金属原子催化剂的合成及应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220063.
[14]	吴俊, 何观朝, 费慧龙. 自支撑单原子膜电极在能源电催化中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220051.
[15]	陈长利, 米万良, 李煜璟. 单原子催化材料在电化学氢循环应用中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220065.

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

Enhance of CoSe₂/C Composites Modified Separator on Electrochemical Performance of Li-S Batteries at High Sulfur Loading

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