鋰硫電池對環(huán)境友好，成本低，理論能量密度高，因此受到了廣泛的關(guān)注，被公認(rèn)為下一代可充電電池。然而，鋰硫電池的實際應(yīng)用受阻。鋰硫電池在充放電過程中，正極產(chǎn)生的多硫化物具有穿梭效應(yīng)，導(dǎo)致電池的庫倫效率較低，電池容量衰減較快。導(dǎo)電率低的正極材料和放電產(chǎn)物不但降低電池的倍率性能，而且限制電池的硫載量和電池對硫的利用。鋰硫電池的面積容量要達(dá)到4 mA h cm−2，就要求硫載量超過 3 mg cm−2。然而，大多數(shù)的放電容量高、循環(huán)壽命長的電池的硫載量低于2 mg cm−2，難以滿足實際要求。而且，發(fā)生在第二個放電平臺的由多硫化物到Li2S的轉(zhuǎn)變受到由多硫化物到Li2S2和由Li2S2到Li2S的轉(zhuǎn)變的緩慢的動力學(xué)的限制，導(dǎo)致電池的放電比較早結(jié)束，對硫的利用率低。

針對上述問題，西安大略大學(xué)的孫學(xué)良教授和Tsun-Kong Sham教授（共同通訊作者）帶領(lǐng)研究人員將鈷摻雜的SnS2生長在氮摻雜的碳納米管上，并以此作為硫正極的載體材料。該電極的穿梭效應(yīng)被抑制，循環(huán)穩(wěn)定性得到改善，對硫的利用率得到提高。該電極（硫載量為3 mg cm−2）的容量達(dá)到1337.1 mA h g−1，在100次循環(huán)（電流密度為1.3 mA cm−2）后為1004.3 mA h g−1。另外，該電極的每次循環(huán)的容量衰減僅為0.16%（300次循環(huán)，電流密度為3.2 mA cm−2）。這項成果發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Adv. Funct. Mater上。

圖1.NCNT@Co-SnS2的制備和表征

a.NCNT@Co-SnS2的制備過程

b–d.NCNT@Co-SnS2的不同分辨率的SEM圖

e–f.NCNT@Co-SnS2的不同分辨率的TEM圖

g.NCNT@Co-SnS2的EDX圖

h–l.NCNT@Co-SnS2的元素分布圖

圖2. S/NCNT@SnS2電極和 S/NCNT@Co-SnS2電極的電化學(xué)性能

a.CV曲線（第二個循環(huán)）

b.充放電曲線

c.循環(huán)性能（電流密度為1.3 mA cm−2）

d.倍率性能（電流密度為1.3-5.1mA cm−2）

e.不同電流密度對應(yīng)的充放電曲線

f.過電位（電流密度為1.3-5.1mA cm−2）

g.電解液為Li2S6的對稱電池的CV曲線

h.長期循環(huán)性能（300次循環(huán)，電流密度為3.2 mA cm−2）

圖3.NCNT@Co-SnS2的催化機理

S/NCNT@SnS2電極（a）和 S/NCNT@Co-SnS2電極（b）的XANES圖

圖4.S/NCNT@Co-SnS2電極的充放電過程

在這項工作中，S/NCNT@Co-SnS2電極不僅抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)，而且還促進硫載量高的鋰-硫電池對硫的利用和改善其循環(huán)穩(wěn)定性。它和沒摻雜Co的S/NCNT@SnS2電極相比，電極容量較高，容量衰減較慢。這項工作為改善鋰-硫電池的電化學(xué)性能提供了一種有效的方式。

原標(biāo)題:西安大略大學(xué)孫學(xué)良教授Adv. Funct. Mater:鈷摻雜的SnS2用于解決高硫載量的鋰-硫電池存在的問題