吉林大学和中国科学院金属研究所--导电Fe2N/N-rGO复合材料在宽工作温度范围促进了锂硫电池的电化学氧化还原反应

锂硫电池在循环过程中存在穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学，导致电池性能不佳。特别是在宽工作温度范围，这些问题被放大，限制了锂电池的实际应用。将过渡金属与化学吸附、催化相结合是捕获多硫化物、提高转化率的有效手段。本文提出了一种新型的氮化铁纳米颗粒修饰的隔膜，该隔膜均匀地分散在n掺杂石墨烯(Fe₂N/N-rGO)上。Fe₂N作为活性催化位点降低了锂硫化物的分解势垒，促进了锂多硫化物与锂硫化物之间的转化动力学，提高了电化学性能。Fe₂N在低温下仍有加速反应动力学，在高温下仍有抑制多硫化物穿梭的作用。因此，含Fe₂N/N-rGO的电池具有较长的循环寿命(在1℃下平均衰落率为0.05%，持续700次)和高速率性能(在5℃下为688 mAh g^-1)。更重要的是，在50℃和0℃时，该电池的容量分别为1043 mA h g^-1和778 mA h g^-1。该工作为今后锂硫电池的实际应用提供了更广阔的思路。

图1 (a) Fe₂N/N-rGO复合材料形成过程示意图。(b) Fe₂N/N-rGO和N-rGO的XRD谱图，(c)拉曼光谱和(d) TGA曲线。

图2 (a) Fe₂N/N-rGO的低倍率和高倍率(插图)TEM图像。(b)HRTEM图像和(c) Fe₂N/N-rGO的SAED模式。(d) Fe₂N/N-rGO的STEM图像和(e)碳、(f)铁和(g)氮的元素图。

图3 (a) N-rGO和Fe₂N/N-rGO复合材料的视觉吸附测试及其相应的紫外/可见光谱。(b) Fe₂N/N-rGO复合材料经目测吸附后的高分辨率XPS Fe 2p谱图。(c)含N-rGO和Fe₂N/N-rGO电极在Li2S6电解质中。(d) 2.07 V时Li₂S₂/Li₂S在Fe₂N/N-rGO和N-rGO电极上的恒电位成核曲线(e) 2.40 V时Li₂S在N-rGO和Fe₂N/N-rGO电极上的溶解电位曲线。(f)扫描速率为0.1 mV S^-1时的初始CV曲线。Tafel图由(g)还原峰和(h)氧化峰计算得出。(i)由(g)和(h)推导出的Tafel斜率。

图4 (a) PP、N-rGO和Fe₂N/NrGO分离器的电池在0.5 c时恒电流放电/充电曲线(b)不同分离器的电池放电前的Nyquist图。(c)使用不同分离器的电池的速率性能。(d)由纽扣电池供电的小灯泡在静置一小时后的亮度图像。(e)不同分离剂在1℃下的长期循环性能(f)含Fe₂N/N-rGO分离剂和高硫负载的电池在0.5℃下的循环性能。

图5所示。(a) 50℃下0.1 mV S^-1扫描速率下的初始CV曲线。Tafel图由(b)还原峰和(c)氧化峰计算得出。(d)在50℃和0.5℃条件下，不同隔板的电池循环性能。(e) 0℃、扫描速率为0.1 mV S^-1时的初始CV曲线。Tafel图由(f)还原峰和(g)氧化峰计算得出。(h)电池在0℃和0.5℃的循环性能。

图6 (a)表面电子静态势分析。(b) S和Li₂Sn的结合能(n=1，2、4、6、8)FNS表面。(c-h) Li₂Sn在FNS表面的电荷密度差。(i) Li₂S在FNS表面的分解势垒。

相关科研成果由吉林大学Dong Zhang和中国科学院金属研究所Zhenhua Sun等人于2021年发表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131622）上。原文：Conductive Fe2N/N-rGO composite boosts electrochemical redox reactions in wide temperature accommodating lithium-sulfur batteries。