余家国/张留洋Small Methods: 用于锂硫电池的钴硫属化物电极性能比较

锂硫（Li-S）电池作为储能的可行选择，因其高能量密度而受到欢迎。然而，硫和Li₂S较差的导电性以及多硫化锂（LIPS）的穿梭效应严重限制了其商业化。

在此，中国地质大学余家国教授及武汉理工大学张留洋副研究员等人选择还原氧化石墨烯（rGO）作为硫主体来沉积钴硫属化物（Co₃O₄、CoS和 Co₃Se₄），并在分子水平上系统地解读阴离子对锂硫电池性能的影响。为了尽量减少合成方法对产物的影响，作者通过简单的水热法制备了rGO负载的Co₃O₄颗粒（Co₃O₄/rGO），并通过高温硫化和硒化分别获得了CoS/rGO 和 Co₃Se₄/rGO，它们将作为 Li-S电池中的正极材料。随后，作者基于互补的实验和先进的计算明确分析对比了它们的晶体结构、能带结构、态密度和电化学性质。

图1. 在rGO上负载钴硫属化物的合成示意图

结果表明，随着非金属元素从O到Se的逐渐置换，钴硫属化物的晶体结构发生转变，伴随着化学键的逐渐拉长而提高了电化学反应速率。同时，由于非金属元素半径的增加，化合物对LIPS的吸附减少。CoS和Co₃Se₄增强的电导率缓解了极化，p带中心的上移和能带差（Δdp）的减小也会影响锂硫电池的性能。总体而言，Co₃Se₄作为正极主体材料具有优异的倍率和循环性能（350次循环后容量为473 mAh g^-1），因为它具有良好的催化活性和最佳物理性能。这项比较研究通过对阴离子的细致调节为锂硫电池的设计提供了指导。

图2. 基于三种钴硫属化物的正极电化学性能

A Comparative Study of Cobalt Chalcogenides as the Electrode Materials on Lithium-Sulfur Battery Performance, Small Methods 2021. DOI: 10.1002/smtd.202101269

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余家国/张留洋Small Methods: 用于锂硫电池的钴硫属化物电极性能比较

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