近日,温州大学王舜教授、陈锡安研究员和郭大营博士以“Hydroxylated Multi-walled Carbon Nanotubes Covalently Modified with Tris (hydroxypropyl) Phosphine as a Functional Interlayer for Advanced Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition,作者开发了一种三(羟丙基)膦共价改性羟基化多壁碳纳米管作为先进锂硫电池的功能层。工作主要亮点为:
1)通过使用甲苯二异氰酸酯(TDI)作为多羟基碳纳米管和三(羟丙基)膦(THPP)之间的连接剂,开发了一种新型插层膜材料,该材料具有提高锂硫电池性能的简单策略。在该策略中,我们引入 TDI 将 THPP 与非亲水碳连接,不仅提高了碳纳米管的极性,而且将 THPP 以触手的形式均匀接枝到碳骨架中,从而保证多硫化物在碳纳米管上的吸附。碳纳米管表面不会导致活性位点失活,不会增加锂离子的扩散阻力。
2)在CNT-OH上接枝有机小分子THPP催化剂作为LSBs的插层可有效催化多硫化物的转化,抑制多硫化物的穿梭效应,并诱导形成稳定的SEI层。并采用紫外-可见光谱、14PNMR、MS等手段对催化剂及中间体进行了详细分析,系统阐述了加速多硫化物催化转化和抑制穿梭效应的新机理,并通过密度泛函理论进行了验证。
3)在这项工作中设计的锂硫电池表现出高容量、优异的倍率性能和长期稳定性。特别是在低温下,达到初始容量951 mAh g-1(1 C),1700次循环后的衰减率仅为0.036%。
图1.THPP共价改性羟基化多壁碳纳米管的合成路线
图2. 结构分析。 (a) THPP 通过酯化反应接枝到 CNT-OH 上的示意图。(b)各种样品的傅里叶转换红外光谱(FTIR)光谱。 CNT-OH 和 CNT-OH+TDI+THPP 复合材料的 XPS 光谱。 (c) 全谱,(d) P 2p,(e) N 1s,(f) O 1s 和 (g) C 1s XPS 光谱。
图3. 催化机理分析。THPP与多硫化锂的相互作用。(a)多硫化锂转化示意图,(b) 多硫化物与THPP反应后溶液颜色变化的光学图,(c) Li2S6溶液的紫外-可见光谱,(d)反应物和产物的FTIR光谱比较, (e)THPP和THPP+Li2S6沉淀物的32P-NMR光谱,和(f) THPP+Li2S6 沉淀物的质谱(MS)强度。(g) Li2S2在CNT-OH+TDI+THPP结构中转化为Li2S和S的过渡态结构和能垒。
图4. 多硫化物催化转化研究。(a) THPP 催化的多硫化物转化示意图,(b)各种隔膜在0.05 mV s-1下的CV曲线,和 (c-e) Tafel 图,(f) Li2S6对称电池的CV曲线,(g) 锂硫电池在不含LiNO3添加剂的穿梭电流,(h) 各种材料对多硫化物的吸附能和 (i)S8转化为Li2S的自由能。
图5. 电化学性能。(a) 0.05 mV s−1时的CV曲线,(b) 倍率性能,(c) CNT-OH+TDI+THPP/PP的恒电流放电/充电曲线,(d)EIS,(e) 不同中间层的循环稳定性1 C时的电池,(f) CNT-OH+TDI+THPP/PP 与其他报道的中间层的电化学性能比较,(g) 自放电行为,(h)CNT-OH+TDI+THPP/PP在 5 C的长期循环,(i) 低温下的长期循环,和 (j) 高硫负载电池的循环性能。
图6. 锂负极的结构变化。(a) CNT-OH+TDI+THPP 对锂硫电池中多硫化物扩散和锂离子沉积的影响示意图,和 (b-f) 锂负极在1 C循环200次后不同中间层的SEM图像。插图是对应于锂负极的锂枝晶形成示意图。
相关研究结果发表于近期的《Angewandte Chemie International Edition》(DOI:10.1002/anie.202204327),温州大学为第一通讯单位,化学与材料工程学院2019级研究生杨斌为第一作者,我校青年教师郭大营博士、陈锡安与王舜教授为该论文共同通讯作者。
Bin Yang, DayingGuo*, Peirong Lin, Ling Zhou, Jun Li, Guoyong Fang, Jinyi Wang, Huile Jin,Xi’an Chen*, and Shun Wang* Angew. Chem. Int.Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202204327
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202204327
*本文由温州大学20级硕士研究生王锦毅供稿。
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