以棕榈丝为原料制备NiZn/N掺杂多孔碳微管，用于高性能Li-S电池

摘要：本文，四川大学Xiaogang Wen等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Ni/Zn-Anchored/N-Doped Porous Carbon Microtubes Derived from Palm Thr

1成果简介

本文，四川大学Xiaogang Wen等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Ni/Zn-Anchored/N-Doped Porous Carbon Microtubes Derived from Palm Threads for High-Performance Li–S Batteries”的论文，研究以棕榈丝为原料制备嵌入镍/锌催化位点的氮掺杂多孔碳微管（NiZn-NPCT），可用作先进锂硫电池的阴极寄主和隔膜改性剂。NiZn-NPCT 具有独特的相互连接的多孔隧道和大量暴露的活性位点，可增加与多硫化锂（LiPSs）的亲和力，从而抑制穿梭效应。动力学研究表明，NiZn-NPCT 可以加速硫物种的氧化还原转化。使用经 NiZn-NPCT 改性的隔膜组装的电池在 0.1C 和 5C 下分别实现了 1220 和 409.1 mAh g-1 的高初始放电容量，并具有良好的循环稳定性（在 1C 下循环 500 次后达到 418.1 mAh g-1）。此外，在硫/镍锌-NPCT 质量比（9:1）较高的情况下，该电池仍然表现出较高的初始放电容量，分别为 1234.4（0.1C）和 551.3 mAh g-1（5C）。这项研究为利用具有独特微观结构的可再生生物质实现高性能Li-S 电池提供了一种有效的策略。

2图文导读

图 1. SEM images of NiZn-NPCT (a–d). Top-view (e) and side-view (f) SEM images of NiZn-NPCT coatings on the pp separator. EDS element mapping of NiZn-NPCT (g).

图2. TEM images (a, b), HRTEM image (c), and FFT image (d) of NiZn-NPCT.

图3. XRD pattern (a), Raman spectrum (b), nitrogen adsorption/desorption isotherms, and pore size distribution (c) of the NiZn-NPCT sample, and TGA curves of S@NiZn-NPCT with different S loadings (d).

图4. Survey scan XPS spectrum (a) and high-resolution XPS spectra of S@NiZn-NPCT after S loading: C 1s (b), N 1s (c), Ni 2p (d), Zn 2p (e), and S 2p (f).

图5. CV curves of S@PCT, S@NPCT, S@Zn-NPCT, S@Ni-NPCT, and S@NiZn-NPCT electrodes activated at 0.1 mV s–1 (a), the values of polarization potentials (b), galvanostatic charge–discharge curves of five electrodes at 0.2C (c), rate performance of five electrodes (d), Nyquist plots of five electrodes and equivalent circuit diagram (e), and long-term cycle performance of five electrodes at 0.2C (f), 0.5C (g), and 1C (h).

图6. CV curves at 0.1 mV s–1 (a), galvanostatic charge–discharge curves at 0.2C (b), rate performance (c), Nyquist plots (d), comparison of Rs and Rct values (e), and cycling performance at 0.2C (f), 0.5C (g), and 1C (h) of S75/pp, S75/NiZn-NPCT, S90/pp, and S90/NiZn-NPCT cells.

图7. CV curves at different scanning rates (a–d) and the linear relationship of Ip versus v1/2 (e–h) of S75/pp, S90/pp, S75/NiZn-NPCT, and S90/NiZn-NPCT.

3小结

综上所述，本文成功地利用棕榈丝制备出了具有大比表面积和分层孔隙结构的新型多孔碳微管。结合N掺杂和Zn/Ni改性，PT-PC在多硫化物锚定/转化方面表现出优异的吸附能力和催化活性。事实证明，获得的 NiZn-NPCT 作为阴极硫宿主和分离器的改性层都非常有效。其独特的中空碳微管有利于为多硫化物提供充足的物理吸附位点，而丰富的镍和锌位点则能促进多硫化物的快速转化，提高硫的有效利用率。同时，N掺杂产生的负电荷有利于其与多硫化物的化学结合，从而抑制穿梭行为。使用NiZn-NPCT作为改性隔膜组装而成的 S75/NiZn-NPCT电池具有出色的速率性能和循环稳定性。在1C的电流密度下，初始放电容量为788.6mAh g-1，循环500次后，放电容量仍可达418.1 mAh g-1。此外，当硫含量增加到 90% 时，S90/NiZn-NPCT电池在5C的高倍率下仍能提供551.3mAh g-1 的高放电容量。这项研究显示了棕榈丝衍生多孔碳在 LSB中作为S主材料和隔膜改性材料的良好潜力，并提出了将生物质衍生多孔碳与金属/非金属改性相结合以制造高性能锂-S 电池的可行策略。

文献
:https://doi.org/10.1021/acsami.5c01577