余彦教授氮掺杂自支撑碳纳米纤维包覆SeS2构建高性能KSeS2电池

　　近年来，金属(Li, Na, K, Mg, Ca，Al)-硫电池以其高能量密度、高理论容量、低成本、环保等优点受到人们越来越多的关注。其中钾- 硫 (K- S)电池具有钾(K)元素储量丰富、成本低廉等优点，此外，K具有较低的标准氧化还原电位，使K-S电池提供更高的工作电压和更高的能量密度。但是，K-S电池具有以下问题：1) 硫和硫化钾的天然绝缘性导致硫的利用率低，2) 硫和硫化钾的天然绝缘性导致硫的利用率低，3)充放电过程中，硫化钾体积变化较大，导致结构破坏，最终导致循环性能和倍率性能较差。研究表明，因为Se(1×10-3 S m-1)较高的电子导电性，开发硒(Se)为基础的电极材料可以部分解决上述问题。此外，与锂-Se相比，锂-SexSy由于引入了更高的电子导电性而具有更高的能量密度和更好的动力学性能。在SexSy的正极中，SeS2与碳酸盐基电解质反应动力学和耐受性较好。研究表明，合理设计SeS2/C复合材料的纳米结构可以提高锂离子和钠离子的存储性能。
　　近日，中国科学技术大学余彦教授团队通过静电纺将SeS2包覆在高含氮量自支撑多孔碳纳米纤维膜(SeS2@NCNFs)中构筑了一种K-SeS2电池，该电池表现出优异的长周期循环性能和高能量密度。此外，作者探究了K-SeS2电池的电化学机理。材料的特殊结构使电池展现出优越的电化学性能：1)NCNFs的比表面积高，孔隙率高可以协同抑制活性物质的溶解，缓冲体的膨胀，促使膜机械性能稳定；2)三维互连NCNFs框架具有良好的电子导电性，有利于电子和离子的传输。3)纳米纤维中N掺杂量高(11.2%)，特别是吡咯氮(N-5)和吡啶氮(N-6)的掺杂，增强了活性产物(硫化物/硒化物)与多孔碳之间的化学亲和力。4)自支撑SeS2@NCNFs膜可直接作为K-SeS2电池的正极，避免使用无容量贡献添加剂(即粘结剂，集电体)，使全电池的能量密度更高。作为K-SeS2电池的正极材料，电流密度为0.05A g-1经过150次循环后，SeS2@NCNFs展现出703 mAhg-1的可逆容量。在更高电流密度0.5A g-1下经过1000次循环后，具有417 mAhg-1的可逆容量，且库伦效率约为100%，并表现出较高的能量密度( 在 0.05 A g-1时为533 Wh Kg-1)。因此，本研究为构建稳定的混合SeS2基质材料，实现高性能K-SeS2电池提供了一个有效可行的途径。
　　图1 (a) SeS2@NCNFs膜电极的制备流程图。(b-c)复合材料SeS2@NCNFs中k离子和电子迁移过程示意图。
　　图1a展示了SeS2@NCNFs膜的制备方法：首先电纺聚丙烯腈(PAN)，F127和聚苯乙烯(PS)的DMF共混溶液获得纳米纤维；随后，将纳米纤维在NH3气氛下进行碳化，得到高N掺杂量的碳纳米纤维；用KOH对纳米纤维进行化学活化，进一步在纳米碳纤维(NCNFs)中形成微孔。最后，通过熔体扩散法将SeS2渗透到NCNFs的孔隙中，形成了SeS2@NCNFs膜电极。图1b和c说明了电子和K+在放电-充电过程中的传输方式。此外相互连接的多孔结构可以提高柔性，为快速的电子/离子传输提供连续的通道
　　图2 (a-c) SeS2@NCNFs的SEM图像。(d)SeS2@NCNFs的EDX光谱。SeS2@NCNFs的(e-g) 透射电镜图像和(h) 暗场透射电镜图像。(i-m) 在SeS2@NCNFs复合物中，S、Se、C、N和O的元素分布图。
　　从扫描电镜图中可以看出，纳米纤维表面没有明显的SeS2粒子，说明纳米纤维中SeS2完全嵌入在NCNFs的孔隙中。图2d中的EDX光谱证实了SeS2成功地掺杂到NCNFs基体中。图2f和g显示了纳米纤维的微孔结构，该结构可以促进电解质的渗透，从而提高离子的扩散效率。
　　图3 (a) 0.1 mV s-1时的CV曲线，(b) 0.05 A g-1时的典型电压曲线，(c)倍率性能比较，(d)Se@NCNFs、SeS2@NCNFs和S@NCNFs重量能量密度比较(能量密度的计算是基于正极中全部材料的质量)。
　　图4 电流密度为0.05 A g-1时，(a)SeS2@NCNFs、SeS2@H-NCNFs和SeS2@L-NCNFs的循环性能和(b)倍率性能对比图。(c)在0.05-2A/g电流密度下SeS2@NCNFs的实际容量。(d)SeS2@NCNFs在0.5A/g电流密度下超过1000次循环的性能。(e)SeS2@NCNFs从0.2 mV到0.6 mV s-1循环伏安曲线。(f)SeS2@NCNFs、SeS2@H-NCNFs和SeS2@L-NCNFs电流与扫描速率的线性拟合图。
　　图5 在纯碳基底和不同N掺杂结构中K2Se吸附的理论模拟。
　　论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00980
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