| +86 731 85124338 sales@hnjc-metal.com

二硼化钛在锂硫电池正极硫载体的应用

2022-06-17
由于具有较高的能量密度(2600Wh/kg),锂硫电池被视为下一代极具应用前景的二次电池体系。正极材料中, 硫的理论比容量高达1675mAh/g,同时硫具有在地壳中的储量丰富、价格低廉、环境友好等优点。但是,由于硫是电子绝缘体以及在充放电过程中形成的可溶的多硫化物所引起的穿梭效应,会导致相应电池的实际比容量低和循环稳定性差等问题,从而严重制约了其将来的实际应用。通过采用多孔导电碳材料来载硫,能够提高硫的利用率,然而碳材料本质上为非极性材料,与多硫化物之间较弱的亲和力无法有效的解决穿梭效应。近年来, 一些极性的过渡金属氧化物、硫化物、磷化物等被证明能够有效的化学吸附多硫化物,但是其相对较低的电导率仍然制约了它们进一步的应用。因此,具有高导电性、极性的无机纳米材料是一种近乎理想的锂硫电池硫正极的载体。
硼化钛晶体是一种典型的六方层状结构,其中硼原子插入到钛原子层的间隙中,形成共价键合的六方骨架。蜂巢状的(B-)n晶格是石墨的等电子体,能够为电子和离子的扩散提供快速通道。并且,这种结构会在TiB2 (001)表面暴露出终止的钛原子,在晶体内部中,钛的配位数为12,一个钛原子与上下两层的硼六元环成键;而在表面,钛原子的配位数减小为6。如此多的配位不饱和的钛原子有可能与硫和多硫化锂形成强烈的键合。
有相关测试结果表明,TiB2/70S电极表现出优异的比容量和循环性能,0.2C循环150圈后容量为842mAh/g;1C电流密度下循环500圈,平均每圈的容量衰减率仅为0.058%。即使当硫负载量为3.9mg/cm2,0.2C循环100圈后容量仍能维持在837mAh/g,相应的面容量为3.3mAh/cm2,接近于商业化的应用要求的4mAh/cm2, 此结果优异于目前文献中报道的其它类的钛基无机材料。优异的电化学性能可能来源于:(1) 硼化钛超高的导电性(理论电导率约为10^6 S/cm), 有利于电子的快速转移, 提高硫的利用率;(2) 硼化钛暴露出足够的活性位点,能够有效地吸附充放电过程中中间产物多硫化物,明显地减轻多硫化物的溶解导致的穿梭效应。