異質(zhì)原子摻雜金屬有機(jī)框架衍生多孔碳宿主材料在鋰硫電池中的應(yīng)用

馬政偉,陳甜甜,朱開(kāi)興

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061)

隨著電動(dòng)汽車和電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)鋰離子電池(LIBs)的能量密度越來(lái)越難以滿足人們的需求,因此高能量密度儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越迫切。鋰硫電池(LSBs)具有較高的理論能量密度(2 600 Wh·kg-1)和理論比容量(1 675 mAh·g-1),是商業(yè)LIBs能量密度的5倍以上[1]。此外,硫元素具有環(huán)保、儲(chǔ)存豐富、成本低廉等特性[2]。綜合以上優(yōu)點(diǎn),LSBs是非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而,LSBs在實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用中還存在著一些缺陷。首先,硫本身的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性非常差,僅僅只有5.0×10-30S·cm-1,其氧化還原反應(yīng)后的最終產(chǎn)物(Li2S2/Li2S)也幾乎不導(dǎo)電[3-4]。其次,在硫與Li2S2/Li2S 的多級(jí)轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的可溶性多硫化鋰(Li2Sx,2≤x≤8)會(huì)從正極逐漸地穿梭到負(fù)極,產(chǎn)生穿梭效應(yīng),這將導(dǎo)致電池容量極速衰減[5]。此外,在充放電過(guò)程中,硫會(huì)發(fā)生巨大的體積膨脹(約79%),伴隨產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力,容易導(dǎo)致硫宿主材料的破壞[6]。

為了解決這些問(wèn)題,人們已經(jīng)采取了許多方法,如在正極和分離器之間插入功能夾層以阻止多硫化鋰(LiPS)的擴(kuò)散、設(shè)計(jì)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)以更好地容納硫、通過(guò)雜原子摻雜來(lái)修飾宿主材料的電子態(tài),以提高其對(duì)LiPS的錨定能力。碳材料的比表面積和導(dǎo)電性都非常優(yōu)異,一直是硫宿主材料的研究熱點(diǎn)。例如石墨烯、活性炭(AC)、碳納米管(CNTs)和微孔/介孔碳都是良好的宿主材料[7],它們具有較高的硫負(fù)載能力、限制硫體積變化能力和優(yōu)良的LiPS錨定能力。然而,普通碳材料具有非極性特性,與極性LiPS之間的相互作用比較弱,在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中,LSBs的容量衰減得越來(lái)越快。因此,通過(guò)摻雜異質(zhì)原子(N、O、S等)將極性位點(diǎn)引入碳基體中,可以顯著提高非極性碳的化學(xué)吸附能力,有效地錨定LiPS[8]。值得注意的是,過(guò)渡金屬(V、Co、Zn等)在電極的氧化還原過(guò)程中可以促進(jìn)Li2S2/Li2S的形成或分解,利用過(guò)渡金屬納米粒子或離子制備多孔異質(zhì)原子摻雜或修飾的碳材料將成為L(zhǎng)SBs的研究熱點(diǎn)。

金屬有機(jī)框架(MOFs)是以各種金屬離子為連接點(diǎn)的配位聚合物,具有獨(dú)特的形態(tài)和分級(jí)的多孔結(jié)構(gòu),這有利于Li+的遷移和LiPS的吸附[9]。在碳網(wǎng)中引入N 等雜原子可以增加電子導(dǎo)電性,并改變周圍的電負(fù)性,這不僅有利于提高硫的利用率,而且可以抑制LiPS的溶解。因此,在MOFs衍生的多孔碳中進(jìn)行各類雜原子摻雜是目前的研究熱點(diǎn)。

本研究以ZIF-67和尿素原料制備了氮、氧和鈷摻雜的多孔碳(N-O-ZIF)。利用X 射線衍射、掃描電鏡、氮吸附等手段研究了樣品的結(jié)構(gòu)和形貌特征。通過(guò)光電子能譜獲得了樣品的電子狀態(tài)信息。最后研究了樣品的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)及性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

六水硝酸鈷(Co(NO3)2·6H2O),上海Aladdin試劑有限公司;2-甲基咪唑,上海Aladdin試劑有限公司;尿素,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;硫,上海Macklin生化科技有限公司;BP2000導(dǎo)電炭黑,上海Macklin生化科技有限公司;PVDF黏結(jié)劑,法國(guó)Arkema化工有限公司;N-甲基吡咯烷酮(NMP),上海Aladdin試劑有限公司;雙三氟甲基磺酸亞酰胺鋰/(1,3-二氧戊環(huán)/1,2-二甲氧基乙烷(體積比1∶1))電解液,蘇州多多化學(xué)科技有限公司。

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM),SU8010型,日本日立高新技術(shù)株式會(huì)社;X 射線衍射儀(XRD),Mini-Flex600型,日本理學(xué)株式會(huì)社;比表面積與孔隙度分析儀(BET),ASAP2460 型,美國(guó)Micromeritics儀器有限公司;X 射線光電子能譜儀(XPS),ESCALAB XI+型,美國(guó)Thermo Fisher科技有限公司;手套箱,上海Minrouna機(jī)電技術(shù)有限公司;藍(lán)電電池測(cè)試系統(tǒng),CT3001A 型,武漢藍(lán)電電子股份有限公司;電化學(xué)工作站,CHI660E 型,上海辰華儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

取0.9 g Co(NO3)2·6H2O(A)和1 g 2-甲基咪唑(B)分別溶解在50 mL 甲醇溶液中,然后將A溶液快速倒入B溶液,并攪拌12 h。將溶液離心并用甲醇清洗沉淀5次,隨后放在80 ℃下干燥10 h,得到ZIF-67。

將干燥好的ZIF-67置于氬氣中并在600 ℃下碳化2 h,升溫速率為3 ℃·min-1,冷卻后獲得黑色產(chǎn)物,記為CZIF-67。取1 g尿素溶解在30 mL甲醇溶液中,加入0.1 g制備的CZIF-67并超聲20 min,在50 ℃下干燥10 h。隨后將干燥的樣品混合均勻,并將其置于氬氣中并在550 ℃下碳化2 h,升溫速率為3 ℃·min-1,冷卻后記為N-O-ZIF。作為對(duì)照實(shí)驗(yàn),在不添加尿素,其余條件相同的情況下制備了ZIF。

取適量N-O-ZIF和升華硫按照1∶1.5的質(zhì)量比分散于20 mL CS2溶劑,待CS2溶劑揮發(fā)完全并研磨均勻后得到S@N-O-ZIF。作為對(duì)照實(shí)驗(yàn),采用相同的條件制備了S@ZIF。

將適量S@ N-O-ZIF/S@ZIF、BP2000 和PVDF按照7∶2∶1的質(zhì)量比例混合均勻,加入適量NMP溶液,混合均勻后涂在鋁箔上。在50 ℃下真空干燥12 h后,裁成直徑為12 mm 的圓形薄片,載硫量為0.65～1.1 mg·cm-2。以圓形電極片為正極,鋰片為負(fù)極,Celgard2400聚丙烯薄膜為隔膜,于手套箱組裝而成CR2032型紐扣電池并進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。電解液組分為1 mol·L-1LiTFSI 溶解于DOL/DME(1∶1,體積比),并添加2% LiNO3。

1.3 制備原理與過(guò)程

圖1為S@N-O-ZIF 的制備流程圖。先將Co-(NO3)2·6H2O 和2-甲基咪唑制備的ZIF-67 碳化,得到CZIF-67,然后再將其與尿素的混合物進(jìn)行二次碳化,得到N-O-ZIF。在第一次碳化過(guò)程中,ZIF-67從有機(jī)物金屬框架轉(zhuǎn)變?yōu)榈踱挀诫s多孔碳,其原有的正十二面體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生改變。在第二次碳化過(guò)程中,尿素在高溫下發(fā)生縮聚反應(yīng),產(chǎn)生氨氣等一系列產(chǎn)物并生成少量氮化碳(C3N4)。高溫下,氨氣可以為碳骨架摻入大量N 原子,從而有效提高對(duì)LiPS的化學(xué)吸附能力[10],附著在碳骨架表面的C3N4也提供了豐富的N 原子,有助于N-OZIF通過(guò)Li-N 鍵化學(xué)吸附錨定更多的LiPS,提高S的利用率[11]。

圖1 S@N-O-ZIF的制備流程圖Fig.1 Preparation flow chart of S@N-O-ZIF

2 結(jié)果與討論

2.1 物相和表征

圖2為ZIF-67、ZIF、N-O-ZIF 和S@N-O-ZIF材料的SEM 照片。

圖2 ZIF-67,ZIF,N-O-ZIF和S@N-O-ZIF的SEM 照片及S@N-O-ZIF的EDS圖像Fig.2 SEM images of ZIF-67,ZIF,N-O-ZIF S@N-O-ZIF and EDS mapping of S@N-O-ZIF

圖2(a)中的ZIF-67呈菱形正十二面體結(jié)構(gòu),表面光滑平整,顆粒直徑在300～600 nm。從圖2(b)和圖2(c)可以看到,經(jīng)過(guò)碳化后的材料基本繼承了ZIF-67的整體形貌和尺寸,但是表面變得粗糙并有輕微塌陷。從載硫后的圖2(d)和圖2(e)中可以看出,S@N-O-ZIF復(fù)合材料形貌并沒(méi)有發(fā)生改變,而且S在碳骨架中分布地很均勻,這說(shuō)明已經(jīng)成功地?fù)饺氲綇?fù)合材料中。此外,從EDS圖像中可以清楚地看到,S@N-O-ZIF 中存在著豐富的N、O 和Co元素,這些異質(zhì)元素可以為錨定LiPS 提供大量的吸附位點(diǎn)[12]。

圖3(a)為N-O-ZIF 載硫前后的XRD 譜圖。N-O-ZIF的XRD 在43.62°和50.46°有2個(gè)峰,分別對(duì)應(yīng)著Co的(111)和(200)面,而(111)峰要高于(200)峰,說(shuō)明(111)是優(yōu)先生長(zhǎng)的方向[13]?？梢悦黠@看到,S@N-O-ZIF 的XRD 是N-O-ZIF 和純S的XRD 結(jié)合體,這表明,S確實(shí)已經(jīng)成功地?fù)饺氲讲牧现?這與EDS結(jié)果相一致。值得注意的是,S@N-O-ZIF中S的特征峰向左發(fā)生偏移,即θ變小,這可能是源于S中摻入了部分Co原子,晶胞參數(shù)變大,d值也隨之變大。根據(jù)Bragg定律,即2dsinθ=nλ,n和λ都是定值,d變大,θ就變小,所以衍射峰發(fā)生左移[14]。從圖3(b)的Raman圖譜中可以看到,兩種材料在1 340和1 586 cm-1附近有2個(gè)典型的C原子拉曼特征峰,分別對(duì)應(yīng)無(wú)序碳(D 帶)和石墨碳(G 帶)結(jié)構(gòu)[15]。D 帶反映了C 原子晶格的缺陷振動(dòng),而G 帶則代表了C 原子sp2雜化的面內(nèi)伸縮振動(dòng)。N-O-ZIF 的(ID/IG)強(qiáng)度比為1.04,高于ZIF的0.97,說(shuō)明N-O-ZIF的缺陷較多,孔隙結(jié)構(gòu)程度較高,有利于電子和離子的傳輸。如圖3(c)所示,N-O-ZIF的BET 曲線存在回滯環(huán),所以是典型的Ⅳ型等溫曲線[16]。在圖3(d)可以明顯地看到,N-O-ZIF的孔徑主要分布在1～6 nm,說(shuō)明存在著大量微孔和介孔。N-O-ZIF 的比表面積和孔體積分別為101.5 m2·g-1和0.100 cm3·g-1,而S@N-O-ZIF的比表面積和孔體積僅為5.4 m2·g-1和0.018 cm3·g-1,這說(shuō)明S已經(jīng)摻入到材料中。S@N-O-ZIF剩余的孔洞可以緩沖S的體積變化,從而維持電極的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖3 N-O-ZIF和S@N-O-ZIF的XRD譜圖,N2 等溫吸附/解吸曲線和孔徑分布圖及ZIF和N-O-ZIF的拉曼譜圖Fig.3 XRD patterns of N-O-ZIF and S@N-O-ZIF,Raman spectra of ZIF and N-O-ZIF,N2 isothermal adsorption/desorption curves and pore size distribution of N-O-ZIF and S@N-O-ZIF

為了進(jìn)一步分析N-O-ZIF 和ZIF 材料中的元素組成和化學(xué)鍵,對(duì)它們進(jìn)行了XPS 測(cè)試,如圖4所示。在圖4(a)中,兩者的C、N、O 和Co的特征峰分別位于282、397、530和779 eV 處,說(shuō)明材料中確實(shí)存在N、O 和Co元素。圖4(b),(c)中N-O-ZIF和ZIF的C 1s主峰可以分為在283.15 eV/283.03 eV、284.11 eV/284.08 eV 和287.06 eV/286.89 eV 處的3個(gè)峰,分別對(duì)應(yīng)了CC/CC、CN和CO 鍵[17]。圖4(d),(e)中N-O-ZIF 和ZIF 的N 1s峰是由位于397.29 eV/397.21 eV、399.28 eV/399.14 eV 和402.20 eV/401.64 eV 處 的3個(gè)峰組合而成的,它們分別屬于吡啶N、吡咯N 和石墨N[18]。吡啶N 和吡咯N 可以有效地形成LiSnLi+-N 鍵,這是材料有效捕獲并錨定LiPS的關(guān)鍵。而石墨N 可以提高材料的導(dǎo)電性,促進(jìn)Li+和電子的協(xié)同擴(kuò)散。N 摻雜的碳表面可作為導(dǎo)電Lewis堿催化劑,提高對(duì)LiPS的吸附能力,從而提高S的利用率[19]?？梢钥吹?N-O-ZIF 中N 的峰更高,說(shuō)明其對(duì)LiPS 的吸附能力要高于ZIF。此外,圖4(f),(g)中N-O-ZIF 和ZIF 的O 1s的譜圖在529.90 eV/529.44 eV、531.15 eV/530.34 eV 和532.20 eV/531.78 eV 處有3個(gè)峰,分別屬于CO、COH 和COC鍵。這些電負(fù)性強(qiáng)的含氧官能團(tuán)可以增強(qiáng)碳材料與LiPS結(jié)合的能力[20]。圖4(h),(i)中N-O-ZIF 和ZIF 的Co 2p3/2可以分為位于776.93 eV/776.80 eV 和779.27 eV/779.14 eV 處的2個(gè)峰,分別對(duì)應(yīng)金屬Co和Co-Nx鍵。研究證實(shí),碳骨架中的金屬Co可以作為雙功能催化劑,不僅可以催化LiPS礦床向可溶性長(zhǎng)鏈LiPS的轉(zhuǎn)化,而且還有利于可溶性長(zhǎng)鏈LiPS向不溶性短鏈Li2S2/Li2S的轉(zhuǎn)化。此外,Co-Nx可以與極性Li2Sx(4≤x≤8)之間產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)相互作用,增強(qiáng)碳骨架對(duì)Li2Sx的捕獲能力,從而可以有效地抑制穿梭效應(yīng)[21]。從以上的XPS數(shù)據(jù)來(lái)看,N-O-ZIF的中的N元素含量增加、O 元素含量減少,而其余元素含量幾乎不變,這可能是因?yàn)槟蛩馗邷胤纸猱a(chǎn)生的N元素替代了N-O-ZIF中的部分O元素的原因。

圖4 N-O-ZIF和ZIF的XPS測(cè)試結(jié)果Fig.4 XPS spectrum of N-O-ZIF and ZIF

為了解N-O-ZIF和ZIF中元素含量的變化,對(duì)它們做了元素面掃描檢測(cè),結(jié)果如表1所示?？梢钥吹?N-O-ZIF 與ZIF 中的N、O 元素含量發(fā)生了變化,而C、Co元素幾乎不變,這與XPS 測(cè)試結(jié)果相一致。

表1 ZIF和N-O-ZIF中各個(gè)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Weight percentage of each element in ZIF and N-O-ZIF

2.2 電化學(xué)性能研究

圖5(a)是S@N-O-ZIF 正極在0.1 mV·s-1的掃描速率循環(huán)5 圈的CV 曲線?？梢钥吹?在2.29和2.03 V 附近的正極的還原回路中有2個(gè)非常明顯的還原峰,這是S8逐步還原到不溶性短鏈Li2S2/Li2S的過(guò)程。在氧化回路中的2.31和2.37 V 附近有2個(gè)相鄰的氧化峰,被認(rèn)為是不溶性短鏈Li2S2/Li2S逐漸氧化為不溶性長(zhǎng)鏈LiPS,并最終形成S8的過(guò)程。值得注意的是,第1圈的氧化峰電位要大一些,這與初始循環(huán)中的活化過(guò)程有關(guān)[22-23]。在隨后的4個(gè)周期內(nèi),CV 曲線幾乎重合,說(shuō)明S@N-O-ZIF具有良好的反應(yīng)可逆性。圖5(b)是S@N-O-ZIF正極在2 A·s-1電流密度下循環(huán)500圈的電壓容量曲線。每條充電和放電曲線上都2個(gè)平臺(tái),這與CV 測(cè)試結(jié)果相吻合。而且循環(huán)500圈后,電壓平臺(tái)依舊非常穩(wěn)定,表明S@N-O-ZIF 正極具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。值得注意的是,第1圈的充放電平臺(tái)比較長(zhǎng),這是因?yàn)榈? 圈的電流密度是0.1 A·s-1。電池剛開(kāi)始測(cè)試時(shí),使用小電流充放電可以使電解液與活性物質(zhì)充分反應(yīng),這樣有利于提高在后續(xù)大電流下的循環(huán)穩(wěn)定性。如圖5(c)所示,在不同倍率下測(cè)試了2種正極的循環(huán)性能。隨著電流密度從0.1 A·s-1到4 A·s-1,S@N-OZIF正極的放電比容量越來(lái)越小,分別為1 332.2、1 036.0、912.9、811.5、732.9和616.4 mAh·g-1。當(dāng)電流密度迅速恢復(fù)到4 A·s-1時(shí),放電比容量為981.5 mAh·g-1,遠(yuǎn)高于S@ZIF正極(830.0 mAh·g-1)。值得注意的是,在各個(gè)電流密度下,S@N-OZIF正極的放電比容量全都高于S@ZIF正極,這得益于N-O-ZIF材料比ZIF 材料擁有更多N 元素,提供了更多的活性位點(diǎn),從而更加有利于對(duì)LiPS吸附,提高S的利用率。為了對(duì)比2種正極的容量差異,測(cè)試了在2 A·s-1下循環(huán)500圈的性能。從圖5(d)中可以看到,在0.1 A·s-1活化后,S@NO-ZIF正極在2 A·s-1下的初始放電比容量高達(dá)780.0 mAh·g-1,高于S@ZIF正極的693.8 mAh·g-1。循環(huán)500 圈后,S@ N-O-ZIF 正極仍具有613.5 mAh·g-1的放電比容量,容量保持率為78.65%,每圈的容量衰減率僅為0.043%,效率高于99%。顯然,N-O-ZIF材料中的孔洞結(jié)構(gòu)和各種異質(zhì)原子有效地限制了LiPS 的穿梭,維持了電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定循環(huán),提高了S的利用率。為了進(jìn)一步了解兩種正極的離子擴(kuò)散和電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程,故對(duì)其進(jìn)行了電化學(xué)阻抗測(cè)試。如圖5(e)所示,阻抗圖是由兩部分組成,高頻區(qū)的半圓對(duì)應(yīng)著Li+的電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct),而低頻區(qū)的斜線對(duì)應(yīng)著擴(kuò)散電阻(Wo)[24]。未經(jīng)循環(huán)過(guò)的S@N-O-ZIF 正極的Rct(40.75 Ω)和Wo(21.99 Ω)都低于S@ZIF 正極的Rct(61.96 Ω)和Wo(23.61 Ω),說(shuō)明N-O-ZIF材料更加有利于Li+的傳輸與擴(kuò)散。經(jīng)過(guò)300 圈循環(huán)后,2種正極的阻抗全部變小,這可能是因?yàn)樵诜磸?fù)的充放電過(guò)程中,電解液充分地滲入到了復(fù)合正極中,使得碳骨架與活性物質(zhì)之間的電子、離子傳輸路徑變短[25]。

圖5 S@N-O-ZIF的電化學(xué)性能測(cè)試Fig.5 Electrochemical performance tests of S@N-O-ZIF

為了進(jìn)一步比較S@N-O-ZIF 和S@ZIF 2種正極在循環(huán)過(guò)程中的電化學(xué)反應(yīng)差異,采用XRD和XPS對(duì)循環(huán)300圈后的2種正極進(jìn)行了物相、元素分析。從圖6(a)中來(lái)看,S@N-O-ZIF 的Li2Sx峰要比S@N-O-ZIF的高一些,這表明S@N-O-ZIF中的LiPS含量要多一些。而且從圖6(c)、(d)也可以看到,經(jīng)過(guò)300 圈循環(huán)后,S@N-O-ZIF 的LiPS含量明顯要高于S@ZIF,這說(shuō)明N-O-ZIF 可以通過(guò)大量異質(zhì)原子提供的活性位點(diǎn)更好地錨定LiPS,從而有效地抑制穿梭效應(yīng)。

圖6 300圈循環(huán)后S@N-O-ZIF正極和ZIF正極的XRD譜圖及XPS譜圖Fig.6 XRD patterns and XPS spectra of S@N-O-ZIF and S@ZIF positives after 300 cycles

為了研究S@N-O-ZIF正極在充放電過(guò)程中的電化學(xué)動(dòng)力學(xué),測(cè)試了其在0.1～1.0 mV·s-1下的CV 曲線。如圖7(a)所示,隨著掃描速率的增加,氧化還原峰變大。峰值電流(i)與掃描速率(v)的關(guān)系:

圖7 S@N-O-ZIF正極在0.1～1.0 mV·s-1 下的CV曲線,lgi與lgv 的線性關(guān)系,峰值電流與掃描速率平方根的線性關(guān)系Fig.7 CV curve of S@N-O-ZIF anode at 0.1-1.0 mV·s-1,the linear relation between lgi and lgv,linear relationship between peak current and square root of scanning speed

取對(duì)數(shù)可得:

其中,a和b為常數(shù),可以由圖7(b)中直線的截距和斜率確定[26]。當(dāng)b分別為0.5和1時(shí),則氧化還原反應(yīng)被視為擴(kuò)散控制過(guò)程和電容控制過(guò)程。圖7(b)中的2個(gè)b值分別為0.72 和0.70,說(shuō)明這2個(gè)反應(yīng)過(guò)程主要受到擴(kuò)散控制,但是存在著一定的電容效應(yīng)。為了進(jìn)一步了解Li+在S@N-O-ZIF復(fù)合材料中的擴(kuò)散系數(shù),將峰1、峰2與掃描速率的平方根做線性擬合,如圖7(c)所示?？梢郧宄乜吹?峰值電流與掃描速率的平方根可以擬合為一條直線,說(shuō)明Li+在S@N-O-ZIF 正極表面主要是擴(kuò)散控制過(guò)程。Li+的擴(kuò)散系數(shù)可以根據(jù)Randles-Sevcik方程計(jì)算:Ip=2.69×105n1.5AD0.5Cv0.5,其中,Ip是峰值電流(mA),n是氧化還原過(guò)程中電子轉(zhuǎn)移數(shù)量(2),A是正極的有效面積(1.13 cm2),D是Li+的擴(kuò)散系數(shù)(cm2·s-1),C是的電解液中Li+的濃度,v是掃描速率(mV·s-1)。經(jīng)過(guò)計(jì)算,峰1和峰2 處的擴(kuò)散系數(shù)分別為2.343×10-8和3.097×10-8cm2·s-1,遠(yuǎn)高于Li+在其它材料[27]中的擴(kuò)散系數(shù)。

3 結(jié)論

利用尿素和ZIF-67為原料,通過(guò)分步碳化制備出了氮氧鈷摻雜多孔碳N-O-ZIF,并將其作為鋰硫電池正極宿主材料。研究結(jié)果表明,N-O-ZIF 骨架中具有豐富的化學(xué)活性位點(diǎn),可顯著增強(qiáng)對(duì)LiPS的吸附,提高了S的利用率。S@N-O-ZIF 復(fù)合電極材料展現(xiàn)出異常優(yōu)異的電化學(xué)性能:2 A·s-1電流密度下的初始放電比容量高達(dá)780.0 mAh·g-1,循環(huán)500圈后,容量保持率為78.65%,圈均容量衰減率僅為0.043%。