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江蘇師范大學(xué)Zhouyang Long，Xiao Yan課題組--硼化鈮/石墨烯通過良好的表面鈍化制備高性能鋰硫電池

需要高效的催化劑來加速轉(zhuǎn)化并抑制多硫化物（LiPS）的穿梭，以促進鋰硫（Li−S）電池的進一步發(fā)展。金屬間硼化鈮（NbB₂）由于優(yōu)異的催化活性而具有無限的潛力。盡管如此，缺乏對催化的理性理解給催化劑的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。本文合理設(shè)計了NbB₂/還原氧化石墨烯改性PP隔膜（NbB₂/rGO/PP）。至關(guān)重要的是，基于實驗和多視角測量表征、從頭分子動力學(xué)（AIMD）和密度泛函理論（DFT），深入了解 NbB₂ 對 LiPS 的催化機制。研究發(fā)現(xiàn)，與 NbB2 中的 LiPS 相互作用的實際催化劑是具有氧化層 (O₂−NbB₂) 的鈍化表面，該氧化層是通過 B−O−Li 和 Nb−O−Li 鍵發(fā)生的，而不是干凈的 NbB₂ 表面。并且Li₂S的分解勢壘大幅降低，在Nb−O和B−O表面上分別從3.390下降到0.93和0.85 eV，并且Li+擴散率快。因此，以NbB₂/rGO/PP作為功能隔膜的電池在100次循環(huán)后在1C下實現(xiàn)了873 mAh g⁻¹的高放電容量。此外，即使在 7.06 mg cm⁻² 的高硫負載量下，NbB₂/rGO/PP 的優(yōu)點也能有效保持，而不會顯著減少，并且電解質(zhì)/硫比為 8 μL mg−1 s 的低水平。這項研究增強了我們對Li−S系統(tǒng)催化機制的理解，并為開發(fā)抗中毒的電催化劑提供了一種有前途的方法。

Fig 1. NbB₂/rGO 的 XRD 譜 (a) 和 SEM 圖像 (b, c)、具有相應(yīng)元素映射的 TEM 圖像 (d−f)、NbB₂/rGO/PP 平面和橫截面的 SEM 圖像 (g−i) 以及照片NbB₂/rGO/PP 彎曲前后的狀態(tài) (j−l)。

Fig 2. PP和NbB₂/rGO的（a）循環(huán)性能，（b）充放電曲線，（c）C1和C2階段相應(yīng)的放電容量，（b），（d）倍率容量，（e，f）放電曲線在不同倍率下，（g）高負載情況下正極的循環(huán)性能，（h）與之前的報告比較，以及（i）低電解質(zhì)使用情況下的循環(huán)性能。插圖為PP和NbB₂/rGO不同階段容量貢獻率圖。

Fig 3. (a) 計算出的 Li₂Sn 在 NbB₂（B 端和 Nb 端）清潔表面上的結(jié)合能，吸附在 (b) Nb 和 (c) B 表面系統(tǒng)上的 S₈ 的相應(yīng)結(jié)構(gòu)與時間的關(guān)系。 Nb、B 和 S 原子分別用藍色、粉色和黃色球表示。

Fig 4. O₂ 在 NbB₂ 催化劑的 (a) Nb 表面和 (b) B 表面上的分解過程。 Nb、B 和 O 原子分別用青色、粉紅色和紅色球表示。 S₈ 吸附在 (c) Nb−O 和 (d) B− O 表面體系上的相應(yīng)結(jié)構(gòu)隨時間的變化，其中 Nb、B 和 S 分別用藍色、粉色和黃色球表示。

Fig 5. (a) NbB₂ 的 AC-TEM 圖像和相應(yīng)的映射。 B、Nb 和 O 原子分別用藍色、橙色和黃色表示。 (b) NbB₂ 的 B 1s 和 Nb 3d XPS 譜。 (c−e) NbB₂ 的拉曼光譜以及 B−O 和 Nb−O 鍵的微拉曼圖譜。(f−h)在不同充電/放電狀態(tài)下獲得的NbB₂的Li 1s、B 1s和Nb 3d XPS。

Fig 6. (a) 多硫化鋰 (Li₂Sn) 在 O₂−NbB₂ 上的吸附構(gòu)型，(b) 計算出的 Li₂Sn 在 NbB₂ 上的結(jié)合能（B−O 端接和 Nb−O 端接），(c−f) 后 NbB₂/rGO 的 XPS 譜吸附 LiPS，（g）照片顯示裝有 LiPS 溶液的密封小瓶和吸附后相應(yīng)的紫外/可見光譜，以及（h−j）雙 L 滲透裝置分別在 PP、rGO/PP 和 NbB₂/rGO/PP 隔膜上的滲透實驗。

Fig 7.（a）Li₂S在NbB₂和rGO上的分解路徑和能壘，（b）掃描速率為1 mV s^-1時NbB₂/rGO對稱陰極的典型CV曲線，（c，d）不同掃描速率下的CV曲線， (e) 0.1 mV/s時的峰值電流和電壓，(f, g)掃描速率v^0.5與峰值電流I_peak的平方根與Li⁺離子擴散系數(shù)(D_Li+)值的對應(yīng)關(guān)系，(h−j) NbB₂/rGO/PP 和 PP 的原始和擬合的 EIS 譜和活化能 (Ea)，以及 (k, l) LiPSs 在 Li−S 電池中 PP 和 NbB₂/rGO 隔膜上的固定和轉(zhuǎn)化示意圖。

Fig 8. 采用 NbB₂/rGO/PP 的 Li−S 電池等高線圖中的原位 XRD 表征，并附有充放電曲線。

Fig 9. 循環(huán)后隔膜和鋰箔的形貌以及用 PP (a−c) 和 NbB₂/rGO/PP (d−f) 組裝的 Li−S 電池的相應(yīng)元素表征。

相關(guān)研究工作由江蘇師范大學(xué)Zhouyang Long，Xiao Yan課題組于2024年在線發(fā)表在《ACS NANO》期刊上，Niobium Boride/Graphene Directing High-Performance Lithium–Sulfur Batteries Derived from Favorable Surface Passivation，原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12076

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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