荀道祥, 罗序维, 周明冉, 何佳乐, 冉茂进, 胡执一, 李昱

无机材料学报 2024, 39 (9): 1013-1021. DOI:10.15541/jim20240027

摘要（288）

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硒(Se)因其较高的体积比容量(3253 mAh·cm^-3)和电子电导率(1×10^-5 S·m^-1)而成为新一代锂硒(Li-Se)电池储能材料。针对其反应过程中体积膨胀较大、容量衰减较快以及活性物质利用率低等问题, 本研究通过在碳布(CC)上生长二维Zn基金属有机框架(ZIF-L)并碳化, 设计了一种ZIF-L衍生氮掺杂碳纳米片/硒自支撑复合材料(Se@NC/CC)用于锂硒电池研究。ZIF-L碳化形成的氮掺杂碳纳米片中丰富的微孔结构有效缓解了反应过程中的体积膨胀, 掺杂N原子有利于吸附反应过程中的Li₂Se, 减少活性物质损失。特别地, Se@NC/CC电极中Se和C之间存在强的化学键作用, 在一定程度上也可以减少活性物质损失, 提高整体性能稳定性。电化学测试表明, 在0.5C(1.0C=675 mAh·g^-1)电流密度下, Se@NC/CC电极的初始放电比容量为574 mAh·g^-1, 展现出高初始放电比容量; 电流密度为2.0C时, 初始放电比容量为453.3 mAh·g^-1, 循环500圈后仍然具有406.2 mAh·g^-1的容量; 同时也表现出了良好的倍率性能, 与文献报道相比有较明显的优势。本研究设计的柔性自支撑硒电极为先进碱金属-硒电池的硒宿主材料设计提供了新的研究思路。

Se@NC/CC中C1s的高分辨率XPS图谱(图5(b))可以拟合为C-C(284.7 eV)、C-N(286.1 eV)、C-O(287.1 eV)和C-Se(289.2 eV)的结合能峰。Se@NC/CC的Se3d的高分辨率XPS图谱(图5(c))中拟合的55.1、56.1和58.8 eV峰分别对应于Se3d_5/2、Se3d_3/2和Se-C。Se@NC/CC的N1s高分辨率XPS图谱(图5(d)可以拟合为吡啶氮(398.5 eV)、吡咯氮(399.7 eV)和石墨氮(401.2 eV)的结合能峰。N掺杂有助于增加表面活性位点, 并改变碳载体表面化学态, 从而增强碳材料的表面亲和性以及对Se物种的化学吸附。此外, N掺杂还可提高极性碳载体的电子电导率, 增强与锂离子的相互作用, 从而改善电化学性能[31]。Se@PCC的C1s高分辨率XPS图谱(图 5(e))可以拟合出四个峰：C-C(284.7 eV), C-N(286.2 eV), C-O(287.8 eV), C-Se(289.6 eV)。 Se@PCC的Se3d高分辨率XPS图谱(图5(f))中, 位于55.3, 56.2和58.9 eV的拟合峰分别对应于Se3d_5/2, Se3d_3/2和Se-C。相比于Se@PCC, Se@NC/CC中形成了更强的Se-C键, 表明NC/CC结构相比于PCC结构对Se有更强的保护能力, 可在一定程度上避免穿梭效应, 减少副反应, 减缓容量损失, 从而保证稳定的电化学性能[32]。