文章資訊
超交聯聚合反應衍生的氮摻雜碳限域Fe2O3加速鋰硫電池中多硫化物的介面反應
第一作者：陸贇，秦金磊
通訊作者：王得麗*
組織：華中科技大學
研究背景
鋰硫電池有著極高的理論能量密度，近年來一直受到研究者的青睞，然而受遲滯的反應動力學影響，鋰硫電池在高硫載量，貧電解液，大倍率的嚴苛條件下的實用性進展一直未能取得重大突破。
基於現時的困境，華中科技大學王得麗教授課題組使用超交聯法製備了含“親鋰”，“親硫”雙位點的分級大比表面積多孔碳正極資料。歸功於這種多功能資料的多重優點使得正極能在高載硫，高硫含量，低液硫比，大電流密度的條件下穩定迴圈500次，本篇為高效率固液介面的設計和研究提供了方向，有助於加速實現鋰硫電池的實用性行程。
文章簡介
本文中，來自華中科技大學的王得麗教授在國際知名期刊Advanced Energy Materials上發表題為“Hypercrosslinked Polymerization Enabled N-Doped Carbon Confined Fe2O3 Facilitating Li Polysulfides Interface Conversion for Li–S Batteries”的觀點文章。
該文章使用超交聯聚合法將小於5nm的親硫的超精細Fe2O3催化劑原位製備在親鋰的氮摻雜分級多孔碳上（Fe2O3/N-MC）。這種雙親位點能協同促進多硫化物的錨定和轉化，提高了實用條件下鋰硫電池的動力學效能和迴圈效能，同時該分級多空資料加速了鋰離子的擴散速率，大幅度提升了電池的倍率效能。
圖1.Fe2O3/N-MC的作用機理和優异的電化學效能
文章要點
要點一：一鍋法合成Fe2O3/N-MC多功能資料
先將吡咯單體分散在1，2二氯乙烷裡邊並在氮氣氣氛中劇烈攪拌，隨後加入交聯劑二甲氧基甲烷和陽離子催化劑FeCl3，在60℃下攪拌12小時後獲得超交聯的微孔吡咯（HCP-PPy）。
最後，將洗滌乾淨的HCP-PPy與KOH在800℃下氬氣環境中煆燒2小時後，吡咯，1，2二氯乙烷和二甲氧基甲烷轉化為親鋰的氮摻雜多孔碳，陽離子催化劑FeCl3轉化為超精細的Fe2O3。
要點二：Fe2O3/N-MC資料特點
超交聯一鍋法製備的Fe2O3/N-MC資料各種元素均勻分佈，無團聚現象，表明資料的成功合成。可以看到小於5 nm的Fe2O3催化劑顆粒均勻分散在碳基體上，有利於暴露更多的催化位點，提升固液介面轉化動力學。
Fe2O3/N-MC的XRD和拉曼結果顯示了Fe2O3典型的特徵峰訊號，而且Fe2O3/N-MC內部含有大量的微孔介孔以及高達1126 m2 g−1的比表面積和1.06 cm3 g−1的孔體積，有利於接觸更多的活性位點，儲存更多的活性物質和電解液，緩解充放電過程中的體積變化，實現高效的固液介面轉化動力學。
要點三：Fe2O3/N-MC對多硫化物的作用機理
擁有雙活性位點的Fe2O3/N-MC資料能在5分鐘內快速吸附可溶性多硫化物，抑制其帶來的穿梭效應。XPS分析後發現與Li2S6作用後，Fe3+和Fe2+的峰位置均向低結合能偏移，這是由於電子從Li2S6向Fe2O3轉移形成了Fe–S鍵的結果，同時對Li 1s分析發現了新形成的Li–O/N（SI figure 10（b）），表明氮摻雜不但提升了碳骨架的導電性而且能和Fe2O3協同捕捉多硫化物。而且，Li2S的形核模擬實驗表明，Fe2O3/N-MC既能抑制穿梭效應還能促進實現液態多硫化物到固態硫化鋰的轉化，實現高的活性物質利用率。
要點四：優异的電化學效能
電化學性能測試結果顯示，Fe2O3/N-MC@S電極可以在0.2，0.5，1.0，2.0，5.0 C的電流密度下分別實現1250，1080，950，830，和740 mA h g‒1的高可逆容量。進一步地，當液硫比為7.5µL mg‒1時，硫面載量高達5.1mg cm‒2時Fe2O3/N-MC@S電極可以在1.0 C下穩定迴圈500次，當面載量提升至6.5 mg cm‒2，液硫比降低至5.7µL mg‒1時，同樣在1.0 C下迴圈200次，展示了優异的雙活性位點優勢。
要點四：原位EIS對鋰離子擴散係數測試
為了監測實时的介面特性，原位的充放電過程不同電位EIS以及相應的波特圖，瓦爾堡阻抗和離子擴散係數表明Fe2O3/N-MC@S電極有著極低的瓦爾堡阻抗係數和超高的鋰離子擴散係數，這些特性都優於對比文獻。
文章連結
Hypercrosslinked Polymerization Enabled N-Doped Carbon Confined Fe2O3 Facilitating Li Polysulfides Interface Conversion for Li–S Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.202101780？saml_referrer