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锂硒电池ZIF-L衍生氮掺杂碳纳米片/碳布自支撑电极的电化学性能研究
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 HTML13 PDF(pc) (2607KB)(305)  

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。



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图8 Se@NC/CC电极循环后的SEM照片及机理示意图
正文中引用本图/表的段落
此外, 在0.5C电流密度下循环100圈后对Se@NC/CC电极进行了SEM测试。如图8(a, b)所示,循环后Se@NC/CC电极CC表面的氮掺杂碳纳米片未明显脱落, 二维片状形貌也基本保持原状, 表明以CC作为支撑材料生长氮掺杂碳纳米片可以有效抑制多硒化物的体积膨胀, 提升电极的结构稳定性。图8(c)为Se@NC/CC电极的微观结构机理, 放电过程中链状Sen被还原成Li2Se, 后续充电过程中Li2Se被氧化为链状Sen(n≈8)[35-36], 充放电过程中, 氮掺杂碳纳米片的多孔结构很好地缓解了体积膨胀, 提高了电极的稳定性。同时, 与之前报道的Se/C复合电极材料相比, Se@NC/CC电极拥有相对优越的性能和稳定性(表1)。
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