由于緩慢的氧化還原動力學、不可控的多硫化物穿梭和不可逆的鋰枝晶生長，鋰硫 (Li-S) 電池的效率和穩定性仍然有限。 在此，我們報告了在 3D 分級還原氧化石墨烯/碳納米管骨架 (ZCNC@GC) 上的異質結構 ZnO/Co
3O
4 納米晶體的雙功能復合材料。ZCNC的強極性有利于多硫化物的吸附和鋰的均勻沉積，抑制多硫化物穿梭和鋰枝晶的生長。同時，微/納米界面場效應與整體網絡導電骨架相結合，建立了平滑、分層的導電通路，促進了電荷轉移，從而加速了反應動力學。 因此，完整的電池在 5 C 下的倍率性能為 652 mAh g
-1，在 5 C 下 500 次循環的容量衰減僅為 0.034%，超過了大多數 Li-S 電池。 這項工作為電極材料的界面工程提供了一個視角，用于制造內置電場以促進 Li-S 電池系統。
圖 1. 應用于鋰硫電池的雙功能復合電極示意圖。 (a) ZCNC@GC 主機的層次結構。 致密的 ZCNC 在均勻的多孔支架上生長，以建立具有充分利用界面電場的分層導電通路。 (b) S-ZCNC@GC的配置|| Li-ZCNC@GC全電池及界面電場加速電荷轉移的作用。作為鋰復合負極，ZCNC@GC 確保了鋰的均勻沉積并抑制了鋰枝晶。 作為 S 復合正極，ZCNC@GC 抑制多硫化物穿梭并加速 S 氧化還原動力學。
圖 2. ZCNC@GC 異質結構的形態和結構表征。 (a-c) SEM、(d) TEM、(e) HRTEM 和 (f) ZCNC@GC 異質結構的元素映射圖像。 (g) XRD 圖案，(h) Zn 2p 和 (i) Co 2p 的 ZnO@GC、Co
3O
4@GC 和 ZCNC@GC 的高分辨率 XPS 光譜。 Co
3+/Co
2+ 比率保持在 1:2 不變。
圖 3. LiPS 在 ZnO、Co
3O
4 和 ZnO/Co
3O
4 異質結構表面吸附和轉化的理論和實驗研究。 (a) 計算的 ZnO、Co
3O
4和ZnO/Co
3O
4的投影態密度 (pDOS)。 (b) 正視圖和側視圖異質結構的電荷密度差異，其中黃色和青色等值面分別呈現電荷積累和耗盡。（棕色球，O 原子；淡藍色球，Zn 原子；深青色球，Co 原子；黃色球，S 原子）。（c）相應的平面平均電子密度差異作為 Z 位置的函數。 (d) 在 ZnO、Co
3O
4 和 ZnO/Co3O4 異質結構表面還原 LiPS 的能量分布。 (e) Li
2S 在 ZnO/Co
3O
4上的分解能壘。（IS，初始結構；TS，過渡結構；FS，最終結構）。 (f) 在 Li
2S
6 溶液中浸泡 12 小時后，不同樣品插入照片的紫外-可見光譜。 (g) 具有不同陰極的 Li
2S
6對稱電池在 1 mV s
-1的掃描速率下的 CV 曲線。 (h) Li
2S
8/四甘醇二甲醚溶液在不同表面上的恒電位放電曲線，電壓為 2.05 V。 (i, j) 在 0.5 C 的第一個循環期間，電解質相對于 S-ZCNC@GC 陰極的操作拉曼光譜。
圖4 ZCNC@GC異質結對枝晶生長的抑制作用的理論和實驗研究。 (a) ZCNC@GC異質結構支架中電流密度分布的模擬。 (b) ZCNC@GC異質結構電極和 (c) 裸鋰電極在鋰成核過程中的局部電場相對強度分布模型。 (d) Li-ZCNC@GC和裸鋰負極表面形貌的原位光學顯微鏡圖像。 (e) 使用不同陽極的對稱電池在 50 mA cm
-2 電流密度和 1 mAh cm
-2 面積容量下的循環性能。 (f) 使用 Li-ZCNC@GC 負極和各種鋰金屬復合負極的對稱電池在不同電流密度下的循環壽命比較。所有對稱電池均以 1 mAh cm
-2 的固定容量循環。
圖 5. Li-S 電池的電化學性能。 (a) 第一循環 CV 曲線的比較。 (b) 0.5 C 時的恒電流充放電曲線。(c) S-ZCNC@GC 在不同電流密度下的倍率能力|| Li-ZCNC@GC, S-ZnO@GC ||Li, S−Co3O4@GC ||Li和S-GC ||Li電池。 (d, e) 不同電池分別在 0.5 和 2 C 下的長期循環壽命和相應的庫侖效率的比較。 (f) S-ZCNC@GC 的循環性能 || Li-ZCNC@GC 電池在 0.2 C 時硫負載量為 3 mg cm
-2，在 0.3 C 時負載量為 5 mg cm
-2。
相關研究成果由南京大學和南洋理工大學Hao Wang、Pan Xue和Jong-Min Lee等人2022年發表在ACS Materials Letters (https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00266)上。原文：Hierarchically Constructed ZnO/Co
3O
4 Nanoheterostructures Synergizing Dendrite Inhibition and Polysulfide Conversion in Lithium–Sulfur Battery。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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