理論上高能量密度和活性材料的廣泛可用性使人們對鎂硫(Mg-S)電池的發(fā)展產(chǎn)生了極大的興趣。然而，硫的電子導(dǎo)電性差、活性物質(zhì)溶解、多硫化物穿梭和循環(huán)穩(wěn)定性差是需要解決的主要挑戰(zhàn)。在這里，我們觀察到原始的mg單鍵電池面臨著嚴(yán)重的過充電問題，并且在30次循環(huán)中電池失效是常見的，并且容量明顯衰減。借助XRD和元素作圖，發(fā)現(xiàn)溶解的液態(tài)多硫化物具有亞穩(wěn)性質(zhì)。由于分離器的高親硫性，多硫化物的吸收導(dǎo)致分離器內(nèi)晶體生長緩慢。這種活性物質(zhì)的捕獲可能是容量快速衰減的原因。我們試圖通過在電極和分離器之間引入導(dǎo)電氮摻雜石墨烯(N-gpn)@碳布(CC)中間層來恢復(fù)溶解的多硫化物。該夾層具有高多硫化物吸收特性，使電池的初始容量達(dá)到1075 mAh g - 1，并將循環(huán)穩(wěn)定性提高到100次循環(huán)。然而，通過保護(hù)陽極，這種穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)到300次循環(huán)。理論分析表明，在所有的多硫化物中，MgS8與N-gpn的相互作用最強(qiáng)，并且在缺陷的N-gpn中最容易被捕獲。這提高了活性物質(zhì)的利用率，提高了循環(huán)穩(wěn)定性。
圖 1. 從上到下的石墨烯片、N-gpn和缺陷N-gpn(配對氮摻雜碳空位)及其相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的DFT計(jì)算得出的態(tài)密度(DOS)。總DOS用黑色和灰色表示。相互疊加的是垂直的p軌道(藍(lán)色)，平面上的p軌道(綠色)和s投影態(tài)密度(黃色)。未占用的狀態(tài)用比填充的狀態(tài)更淺的顏色繪制。能量零點(diǎn)設(shè)在價帶的頂端。(b-c)多硫吸附試驗(yàn)?zāi)恳晫Ρ?e)多硫溶液吸附前后拉曼光譜。(f, g)吸附后N-gpn@CC碳、硫的EDX元素圖。(對于圖例中有關(guān)顏色的解釋，請參閱本文的網(wǎng)頁版本。)
圖 2. 電化學(xué)研究。(a) LPS@N-gpn陰極(b) N-gpn@CC層間含陰極的電池恒流循環(huán)的充放電曲線。(c) LPS@N-gpn和N-gpn@CC含層間陰極電池的循環(huán)穩(wěn)定性比較。(d)含有不同硫負(fù)荷的陰極電池N-gpn@CC夾層的循環(huán)穩(wěn)定性。(e) N-gpn@CC層間細(xì)胞的CV。(f) N-gpn@CC層間電池在不同放電和充電點(diǎn)的電荷轉(zhuǎn)移電阻。
圖3. (a) LPS@N-gpn電池中的原位XRD測量。(b) LPS@N-gpn電池循環(huán)分離器在S 2p區(qū)域的XPS詳細(xì)光譜。(c-e)從LPS@N-gpn細(xì)胞的循環(huán)分離器得到的SEM和相應(yīng)的EDX元素映射結(jié)果。(f) Mgsingle bondS電池在隔板上原位生成結(jié)晶多硫化物的示意圖。N-gpn@CC細(xì)胞100次循環(huán)后分離液的死后分析(g) SEM圖像(圓圈表示MgxSy晶體)(h, i)對應(yīng)的EDX元素與Mg和S元素的映射。有和無夾層多硫化物轉(zhuǎn)化動力學(xué)評價。(j)有間層或無間層的Mg|LPS@N-gpn電池的PITT測量，電池從1.4 V放電到0.5 V，步進(jìn)20mv。(k)有間層或無間層的Mg| LPS@N-gpn電池的PITT測量值，電池從1.6 V充電至2.5 V，步進(jìn)20 mV。
圖 4. (a) LPS@N-gpn電池30次循環(huán)后Mg陽極的EDX元素圖。(b, c) N-gpn@CC夾層的Mg陽極SEM圖像(d) Mg側(cè)循環(huán)夾層，Mg被捕獲。
圖 5. 所研究的(a) S8和(b) MgS8在N-gpn和(c)缺陷N-gpn上吸收的結(jié)構(gòu)表示和計(jì)算的相互作用能。藍(lán)色球體代表氮原子，黃色球體代表硫原子，橙色球體代表鎂離子。灰色六邊形代表石墨烯的蜂窩晶格。MgS8在N-gpn和缺陷N-gpn上吸附的電荷密度差異分別見(d)和(e)。(對于圖例中有關(guān)顏色的解釋，請參閱本文的網(wǎng)頁版本。)
圖 6. (a)原始(b)放電和(c)充電LPS@N-gpn陰極，(d)放電和(e)充電Mg陽極的S2p區(qū)XPS詳細(xì)光譜。在第5次電化學(xué)循環(huán)中回收了循環(huán)后的鎂陽極。
相關(guān)科研成果由赫爾姆霍茲研究所Dasari Bosubabu等人于2024年發(fā)表在
Journal of Energy Storage（https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113389）上。原文：Reactivation of dissolved polysulfides with nitrogen doped graphene decorated carbon cloth as an effective interlayer for magnesium-sulfur battery
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113389
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
