FeP纳米晶催化活化Li2S构建长寿命锂硫电池

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240303

摘要/Abstract

摘要：

通过简便且易规模化的高温原位热解聚合物制备出自支撑的核壳结构柔性多孔催化载体，用于高载量负载活性硫组分。壳层内FeP纳米晶颗粒的引入，在加速硫电极结构内离子输运的同时，作为活性位点高效催化Li₂S的活化转化，加速了Li-S电池中Li₂S?S₈的转化反应，保证了锂硫电池的高度可逆性和长循环稳定性。制备的高硫负载阴极展现出较高的放电比容量（1306.2 mA·h/g）和十分优异的长循环稳定性（2 C→0.1 C，容量恢复率95.8%）。通过循环后电池拆解分析，验证了实验条件下所组装的锂硫电池性能衰减机制。

关键词: 锂硫电池, 磷化铁纳米晶, 核壳结构, 硫化锂活化, 多孔载体

Abstract:

Through a simple and easily scalable high-temperature in-situ pyrolysis of polymers， a self-supported core-shell structured flexible porous catalytic carrier is prepared for high-loading of active sulfur components. Introducing FeP nanocrystals within the shell layer accelerates the ion transport within the sulfur electrode structure and efficiently catalyzes the activation conversion of Li₂S， accelerating the conversion reaction of Li₂S?S₈ in Li-S batteries， ensuring high reversibility and long-term cycling stability of Li-S batteries. The prepared high-sulfur-loaded cathode exhibits high discharge specific capacity （1306.2 mA·h/g） and excellent long-term cycling stability （2 C→0.1 C， 95.8% of capacity recovery rate）. Battery disassembly analysis after cycling confirms the performance degradation mechanism of the assembled lithium-sulfur batteries under the experimental conditions.

Key words: Li-S batteries, FeP nanocrystal, Core-shell structure, Li₂S activation, Porous matrix

中图分类号:

O646

陈飞, 翟飞飞, 宋昊鑫, 吕盼. FeP纳米晶催化活化Li₂S构建长寿命锂硫电池[J]. 应用化学, 2025, 42(5): 668-674.

Fei CHEN, Fei-Fei ZHAI, Hao-Xin SONG, Pan LYU. FeP Nanocrystal Catalyzed Activation of Li₂S for Establishment of Ultra-Stable Li-S Batteries[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2025, 42(5): 668-674.

图/表 4

图1 （A、B） FeP@PCC核壳结构复合材料不同倍率下的TEM图； FeP@PCC负载硫（C）之前和（D）之后的SEM图；（E） FeP@PCC负载硫后的HAADF和Mapping元素图

Fig.1 （A， B） TEM images of FeP@PCC core-shell composite materials at different magnifications； SEM images of （C） FeP@PCC and （D） S/FeP@PCC；（E） HAADF and Mapping elemental images of FeP@PCC loaded with sulfur

图2 FeP@PCC复合材料的XRD图（A），以及Fe2p（B）和P2p（C）的XPS高分辨图；（D） S/FeP@PCC复合材料的热重图；（E） FeP@PCC负载硫之前和之后的BET图；（F） FeP@PCC及FeP@PCC与硫粉混合煅烧后材料的XRD图

Fig.2 XRD pattern （A） and high-resolution XPS spectra of Fe2p （B） and P2p （C） for FeP@PCC composite material；（D） TGA curve of S/FeP@PCC composite material；（E） BET surface area and pore distribution curves of as-prepared samples；（F） XRD patterns of FeP@PCC and FeP@PCC mixed with Sulfur Powder

图3 在0.1 C下不同复合材料的充放电曲线（A、B）、循环伏安曲线（C）和倍率性能（D）

Fig.3 （A， B） Charge-discharge curves，（C） cyclic voltammetry profile of sulfur cathode and （D） rate performance of different composite materials at 0.1 C

图4 锂硫电池长循环性能衰减机制A. Comparison of cycling performance of different composite materials； B. XRD images of the positive electrode material after cycling； C. Comparison of charge-discharge performance of the battery before and after replacing the new electrode after 100 cycles

Fig.4 Long-term cycling performance degradation mechanism of lithium-sulfur batteries

参考文献 27

1	杨东．碳纳米管在磷酸铁锂电池导电剂方面的应用研究［J］．世界科学， 2013， 12： 49-50．
	YANG D. Application research of carbon nanotubes as conductive agents in lithium iron phosphate batteries［J］. World Sci， 2013， 12： 49-50.
2	LI M， LU J， CHEN Z， et al. 30 years of lithium-ion batteries［J］. Adv Mater， 2018， 30（33）： 1800561.
3	ZHU H， CHEN S， YAO X， et al. Upcycling spent cathode materials to bifunctional catalysts for high-stability lithium-sulfur batteries［J］. Adv Funct Mater， 2024， 34（29）： 2401470.
4	杨桂芬，杨广场，方明，等．一步法实现Rb⁺/Cl^-双位点共掺杂高性能锂离子电池正极材料LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂［J］．矿冶工程， 2024， 44（2）： 141-144.
	YANG G F， YANG G C， FANG M， et al. Rb⁺ and Cl^- Co-doped LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ cathode material for high-performance lithium ion batteries by one-step method［J］. Min Metall Eng， 2024， 44（2）： 141-144.
5	WANG X， LIU S， YANG J， et al.Accelerated sulfur redox kinetics on transition metal sulfide electrocatalysts by modulating electronic-state of active sites［J］. Adv Energy Mater， 2024， 14（25）： 2400104.
6	SUO L， ZHU Y， HAN F， et al. Carbon cage encapsulating nano-cluster Li₂S by ionic liquid polymerization and pyrolysis for high performance Li-S batteries［J］. Nano Energy， 2015， 13： 467-473.
7	FEI Y， LI G. Unveiling the pivotal parameters for advancing high energy density in lithium-sulfur batteries： a comprehensive review［J］. Adv Funct Mater， 2024， 34（21）： 2312550.
8	YU M L， WANG Z Y， WANG Y W， et al. Freestanding flexible Li₂S paper electrode with high mass and capacity loading for high-energy Li-S batteries［J］. Adv Energy Mater， 2017， 7（17）： 1700018.
9	LIU H， LI R， YANG T， et al. Construction of SnS₂-modified multi-hole carbon nanofibers with sulfur encapsulated as free-standing cathode electrode for lithium sulfur battery［J］. Nanotechnology， 2024， 35（21）： 215402.
10	LIU M， HOU R， ZHANG P， et al. A universal electronic structure modulation strategy： is strong adsorption always correlated with high catalysis？［J］. Small， 2024， 20（40）： 2402725.
11	张露，黄彬琪，王艳阳，等．分级结构MoO₂/C微球作为高性能锂离子电池负极材料研究［J］．江西冶金， 2022， 42（5）： 31-5.
	ZHANG L， HUANG B Q， WANG Y Y， et al. A study on hierarchical MoO₂/C microspheres as anode materials for high performance lithium-ion batteries［J］. Jiangxi Metallurgy， 2022， 42（5）： 31-35.
12	WU J Y， WANG Y， SONG L N， et al. Coordination defect-induced lewis pairs in metal-organic frameworks boosted sulfur kinetics for bifunctional photo-assisted Li-S batteries［J］. Adv Funct Mater， 2024， 34（41）： 2404211.
13	ZHANG H， ZHANG M， LIU R， et al. Fe₃O₄-doped mesoporous carbon cathode with a plumber's nightmare structure for high-performance Li-S batteries［J］. Nat Commun， 2024， 15（1）： 5451.
14	XU Z， WANG J， YANG J， et al. Enhanced performance of a lithium-sulfur battery using a carbonate-based electrolyte［J］. Angew Chem Int Ed， 2016， 55（35）： 10372-10375.
15	MAYRÉN A， ALCARAZ-ESPINOZA J J， HERNÁNDEZ-SÁNCHEZ A， et al. Chitosan binders for sustainable lithium-sulfur batteries： synergistic effects of mechanical and polysulfide trapping properties［J］. Electrochim Acta， 2024， 480： 143917.
16	SHEN J， LIANG Z， GU T， et al. Revisiting the unified principle for single-atom electrocatalysts in the sulfur reduction reaction： from liquid to solid-state electrolytes［J］. Energy Environ Sci， 2024， 17（16）： 6034-6045.
17	GAO X， ZHENG X L， TSAO Y C， et al. All-solid-state lithium-sulfur batteries enhanced by redox mediators［J］. J Am Chem Soc， 2021， 143（43）： 18188-18195.
18	MA M， CAO L， YAO K， et al. Tailoring FeP with a hollow urchin architecture for high-performance Li-S batteries［J］. ACS Sustain Chem Eng， 2021， 9（15）： 5315-5321.
19	XIA G， ZHANG L， YE J， et al. Amorphous transformation of FeP enabling enhanced sulfur catalysis and anchoring in high-performance Li-S batteries［J］. Chem Eng J， 2022， 431： 133705.
20	ZHANG D， LUO Y， WU B， et al. A heterogeneous FeP-CoP electrocatalyst for expediting sulfur redox in high-specific-energy lithium-sulfur batteries［J］. Electrochim Acta， 2021， 397： 139275.
21	XU Z， WANG T， WANG L， et al. Aniline‐grafting graphene oxide/polyaniline composite prepared via interfacial polymerization with high capacitive performance［J］. Int J Energy Res， 2019， 43（13）： 7693-7701.
22	RAJKUMAR P， DIWAKAR K， SUBADEVI R， et al. Sulfur cloaked with different carbonaceous materials for high performance lithium sulfur batteries［J］. Curr Appl Phys， 2019， 19（8）： 902-909.
23	ZHANG H， SONG B， ZHANG W， et al. Bidirectional tandem electrocatalysis manipulated sulfur speciation pathway for high-capacity and stable Na-S battery［J］. Angew Chem Int Ed， 2023， 62（6）： e202217009.
24	HEO Y J， LE M U T， PARK S J. Investigation of carbon dioxide adsorption by nitrogen-doped carbons synthesized from cubic MCM-48 mesoporous silica［J］. Carbon Lett， 2016， 18（1）： 62-66.
25	ZHNAG W， LI H J， LIU Y， et al. Stevioside-Zn²⁺ system as an eco-friendly corrosion inhibitor for C1020 carbon steel in hydrochloric acid solution［J］. Colloid Surface A， 2021， 612： 126010.
26	YE Y， XIAO Q， XIE H， et al. Rapid identification of P-C bonds in phosphorus-carbon anode materials［J］. Chem Commun， 2024， 60 （95）： 14077-14080.
27	ZHANG W， WANG M， ZHANG H， et al. Binary atomic sites enable a confined bidirectional tandem electrocatalytic sulfur conversion for low-temperature all-solid state Na-S batteries［J］. Angew Chem Int Ed， 2024， 63（6）： e202317776.

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[1]	刘嘉欣, 范家禾, 李曙辉, 马亮. Rh@Pt内凹立方体核壳催化剂的制备及其乙醇电氧化性能[J]. 应用化学, 2023, 40(8): 1195-1204.
[2]	王路飞, 甄蒙蒙, 沈伯雄. 贫电解液下电催化剂对调控锂硫电池性能的研究进展[J]. 应用化学, 2023, 40(2): 188-209.
[3]	安正策, 王丽萍, 周博. Er³⁺/Tm³⁺共掺镱基纳米晶上转换白光调控及应用[J]. 应用化学, 2023, 40(12): 1623-1629.
[4]	王俊荣, 孙倩倩, 朱国庆, 钱彦荣, 李春霞. 稀土掺杂正交发光纳米晶：从基础到前沿应用[J]. 应用化学, 2023, 40(11): 1475-1493.
[5]	王欣, 张冬, 杜菲. 单原子催化剂在锂硫电池中的研究进展[J]. 应用化学, 2022, 39(4): 513-527.
[6]	高峰, 徐子迪, 管纯倩, 王研, 臧云浩, 顾建峰, 曲江英. 硫/石墨烯气凝胶的绿色可控制备及锂硫电池性能[J]. 应用化学, 2021, 38(4): 439-446.
[7]	王春丽,孙连山,钟鸣,王立民,程勇. 过渡金属及其化合物应用于锂硫电池的研究进展[J]. 应用化学, 2020, 37(4): 387-404.
[8]	金晟中, 张爱清. 原子级壳层厚度Ru@Pt核壳结构纳米粒子的制备与表征[J]. 应用化学, 2018, 35(2): 239-244.
[9]	孟庆男,杜路路,汤玉斐,赵康,赵朗. MnO_X-C@SiO₂核壳微球的制备及催化性能[J]. 应用化学, 2018, 35(11): 1357-1363.
[10]	郑义智, 王海水. 银/二氧化硅核壳纳米颗粒的制备及其壳层厚度对其光学性质的影响[J]. 应用化学, 2014, 31(03): 323-327.
[11]	叶林静, 关卫省, 宋优男, 杨莉. 磁性Fe₃O₄/ZnO核壳材料的制备及降解四环素类抗生素[J]. 应用化学, 2013, 30(09): 1023-1029.
[12]	陈世兰, 柳明珠, 吕少瑜, 金淑萍, 陈勇. 壳聚糖-g-聚甲基丙烯酸凝胶粒的制备及其药物释放行为[J]. 应用化学, 2013, 30(03): 252-259.
[13]	侯陕, 张春雨, 陈斌, 张学全. 聚丙烯釜内合金性能及微观形态[J]. 应用化学, 2012, 29(01): 18-22.
[14]	董文举, 席君兰, 路雅惠, 李中华, 张培培. 核壳结构聚苯胺-聚电解质-碳酸钙微球复合材料的制备、表征和应用[J]. 应用化学, 2011, 28(01): 22-26.
[15]	郭琦, 缪建军, 耿珺, 朱俊杰. 微波热解法制备Cu/Cu₂O纳米材料[J]. 应用化学, 2010, 27(12): 1438-1443.

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