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霍克锂电池Ni(OH)2纳米片修饰海带状多孔碳改性隔膜用于高性能锂硫电池

基于硫化锂(Lisingle bondS)正极的锂硫电池(Li-S)在下一代储能设备中展现出巨大潜力,但其仍存在多硫化锂(LiPSs)穿梭效应、缓慢的氧化还原反应动力学以及严重的安全隐患等关键缺陷。本研究通过将氢氧化镍(Ni(OH)2)纳米片修饰的海带状多孔碳(Ni(OH)2/KLPC)复合材料涂覆于聚丙烯(PP)隔膜上,设计了一种多功能隔膜。来源于毛霉菌丝的独特KLPC骨架提供了三维导电网络,而极性Ni(OH)2纳米薄片对多硫化锂(LiPSs)表现出强化学吸附作用,并对固相(Li2S/S8)与液相(LiPSs)之间的相互转化具有高效催化活性。%% 与此同时,Ni(OH)2纳米薄片通过吸热分解过程及生成高阻燃产物氧化镍和水,使隔膜具备优异的阻燃性能。%% 因此,采用Ni(OH)2@KLPC改性聚丙烯(PP)隔膜组装的锂硫(Li-S)电池%% @KLPC modified PP (Ni(OH)2/KLPC/PP) separator and a Li2硫/多性向碳纳米管阴极展现出1132 mAh g<sup>-1</sup>的高初始放电容量2在5.0 A g<sup>-1</sup>电流密度下仍具有320 mAh g<sup>-1</sup>的优异倍率性能single bond以及750次循环后仍保持稳定的长期循环特性2本研究通过多功能隔膜工程策略,为构建高性能安全锂硫电池提供了一种极具前景的协同策略。2/KLPC/PP) separator and a Li2S/multi-walled carbon nanotube cathode delivers a high initial discharge capacity of 1132 mAh g−1, remarkable rate property of 320 mAh g−1 at 5.0 A g−1, and stable long-term cycling over 750 cycles. This work presents a promising synergistic strategy for constructing high-performance and safe Lisingle bondS batteries through multifunctional separator engineering.

Graphical abstract

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Introduction

基于拓扑嵌入反应机理的商用锂离子电池(LIBs)通常表现出低于500 Wh kg的能量密度−1,这难以满足移动电子设备和电动汽车的长续航需求[1], [2], [3], [4]。锂硫(Lisingle bondS)电池作为新型转化型反应机理的代表,因其2600 Wh kg的高理论能量密度被认为极具发展前景的二次电池。−1,以及硫的环境友好性和低成本特性[5]-[10]。然而,锂硫电池的实际应用仍面临严峻的本征性挑战:包括单质硫的绝缘性、可溶性多硫化锂中间产物的穿梭效应、放电过程中80%的体积膨胀、缓慢的氧化还原反应动力学,以及不可控的锂枝晶生长问题[11]-[14]。从安全角度考量,锂负极表面锂枝晶的形成已完全制约了该体系的商业化进程single bond%%single bond硫电池因其阴极采用易爆的硫/碳复合材料及易燃的醚类电解液而存在安全隐患[15][16]。%%采用硫化锂(Li%%S)替代单质硫被视为解决锂硫电池中枝晶问题的有效策略,这是由于Li%%S阴极可与无锂负极(硅、石墨等)匹配组装成更安全的锂硫电池[17][18]。%%然而作为单质硫的放电产物,Li2硫正极还受到严重的多硫化锂穿梭效应和缓慢的电化学反应动力学影响[19][20][21]。single bondS batteries, since Li2S cathodes can be matched with lithium-free anodes (silicon, graphite, etc.) to assemble safer Lisingle bondS batteries [17], [18]. Nevertheless, as the discharge product of S, Li2S also suffers from severe LiPSs shuttle and slow electrochemical reaction kinetics [19], [20], [21].
迄今为止,已有大量研究致力于解决上述锂硫电池面临的问题。2其中,功能化宿主材料设计与隔膜修饰被视为两种最有效的策略[22]。将硫封装于功能化宿主中可显著提升电化学性能,但该复合材料的多元合成工艺及宿主材料的高质量分数制约了锂硫电池的大规模应用。 %%2硫正极[23][24]。近年来,由于工艺简单且能显著提升性能,隔膜修饰技术被广泛用于抑制多硫化锂穿梭效应并加速电化学反应动力学。碳材料(如碳纳米管、石墨烯和多孔碳)因其高电子电导率、多样化微观结构和丰富的原料资源,常被用作隔膜修饰层以提高电极导电性并限制多硫化锂穿梭[25][26][27][28]。2遗憾的是,碳材料的非极性特性导致其与极性LiPSs之间仅存在微弱的物理相互作用,这会在长期循环和高负载量条件下引发严重的穿梭效应和容量衰减[29][30][31]。为增强对LiPSs的吸附与固定能力,研究已开发出金属硫化物、金属氧化物、金属磷化物等多种极性金属化合物作为隔膜涂层材料[32]。这类极性化合物虽能为LiPSs提供强化学吸附位点,但其对LiPSs转化为S或Li的催化活化能力较低。硫进一步加剧了多硫化锂(LiPSs)的积累,导致吸附位点失活和活性材料损失[33][34][35]。近年来,过渡金属和贵金属催化剂被引入改性隔膜中,用于吸附LiPSs并催化其转化为硫或锂2硫[36][37]。上述研究为提升锂2硫电池的电化学性能提供了多种创新策略,但基于锂2硫正极由于其易燃易爆成分仍面临严重的爆炸风险[38]。因此,亟需开发一种兼具吸附、催化和阻燃特性的多功能隔膜,以同步提升锂硫电池的电化学性能与安全性。2硫正极。2S cathodes.
氢氧化镍(Ni(OH)2作为一种典型的半导体材料,具有显著的表面极性、高催化活性以及良好的阻燃性能,因而在工业催化和能源存储领域得到广泛应用[39][40][41]。多孔碳微带呈现典型的二维(2D)结构,具有丰富的孔隙结构、稳定的理化性质和高导电性,被广泛用作二次电池的导电网络[42]。本研究中,我们以毛霉菌丝衍生的海带状多孔碳(KLPC)为骨架,并与Ni(OH)2以多功能活性位点构筑的Ni(OH)2修饰海带状多孔碳材料(Ni(OH)2/KLPC)复合材料通过简易液相沉淀法制备。当Ni(OH)2@KLPC用于改性聚丙烯(PP)隔膜时,所得Ni(OH)2@KLPC/PP隔膜展现出强吸附性能、高催化活性和显著阻燃性。因此,该锂single bond采用锂组成的S电池2S/多性向壁碳纳米管(Li2S/MWCNT)正极与Ni(OH)2@KLPC/PP隔膜展现出1132 mAh g的高初始放电容量−1以及超过750次循环的优异循环稳定性。