Bi2S3@ CNT：一种高性能的电化学储锂材料

上海巨纳

2017/07/25

私聊

物性测试综合讨论

锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命和宽工作温度区间等性能优势，因此在众多储能器件中占有重要位置。近年来，为了提高锂离子电池的能量密度，研究者们开发了一系列的基于转换反应和合金化反应的高容量负极材料。其中，层状结构的硫化铋(Bi₂S₃)是一种潜在的高性能储锂材料。硫化铋具有625 mAh g^-¹和4250 mAh cm^‒³的理论容量，比石墨高出70%和420%，而且由于Bi、S之间的化学键比较弱，因此材料的储锂可逆性比较高。然而，由于本身晶格、电子结构和电学性能的限制，硫化铋在储锂循环稳定性和倍率性能方面还远不能满足实用的需求。
为了解决这一问题，苏州大学物理与光电能源学部的倪江锋博士与合作者发展了一种与纳米碳材料强耦合的技术，来制备高性能的硫化铋复合电极材料。他们在功能化的碳纳米管（CNT）表面负载硫代乙酰胺（TAA），然后加入硝酸铋溶液；通过控制 TAA的水解来调控Bi₂S₃在CNT表面的存在形式和沉积厚度。Raman光谱和X射线吸收近边结构（XANES）证明Bi₂S₃和CNT存在着电荷转移（耦合作用）。复合的Bi₂S₃@CNT材料的表现出优异的储锂稳定性和强劲的倍率性能。在0.2 A g^-¹的电流密度下经过100次循环， Bi₂S₃@ CNT材料保持了494 mAh g^-¹的容量，而单独的Bi₂S₃材料只保持了129 mAh g^-¹。在2 和5 A g^‒¹的倍率下，该杂化材料仍然具有429和376 mAh g^‒¹的容量。更为重要的是，当测试电流密度降低时，高于500mAh g^-¹的容量仍然可以恢复。他们进一步通过循环伏安和电化学阻抗谱分析了材料的高倍率性能的原因，发现其储锂行为类似于一个赝电容。显然这种赝电容的行为与高导电的CNT与Bi₂S₃之间的强耦合作用是分不开的。该研究工作为硫化物和相关储锂材料的进一步发展提供了一条可行的思路。相关结果发表在Advanced Energy Materials杂志上。
全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组的专家介绍，层状结构的硫化铋(Bi2S3)是一种潜在的高性能储锂材料。CNT与Bi2S3这些材料的结合，是一种很好的探索思路。
据低维材料在线91cailiao.cn的技术工程师Ronnie介绍，他们提供的硫化铋Bi2S3材料具有环境友好、光电导和非线性光学响应等优点，广泛应用于太阳能电池、光电二级管阵列以及红外光谱学等，也可以应用于制其它铋合物、易切削钢添加剂、微电子工业。