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              1. 2020-06-01

                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

                分享到:

                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。

                因該復合材料中兩種金屬硫化物的協同作用、十二面體的多孔結構、N-S共摻雜碳層的形成和根深蒂固的碳納米管網狀結構,使得該材料作為鋰離子電池負極展現出良好的電化學性能。循環性能優異:在100 mA g?1電流密度下,循環250圈后,仍保持容量941 mAh g?1 比容量(超過其理論比容量)。在1,2,5 Ag-1 電流密度下循環500圈后仍分別具有734、591、505 mAh g?1比容量,說明其具有較好的倍率性能。

                簡介
                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。

                這樣一個精心設計的具有特殊結構的三元金屬硫/碳復合材料有望成為未來儲能家族中的新候選。

                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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