硒掺杂的硫化聚丙烯腈在高比能锂硫/室温钠硫电池中的应用

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硫作为正极材料,理论比容量高达1675 mAh g-1;同时,硫的资源丰富,价格低廉,对环境友好。硫正极与金属阳极锂或钠匹配,形成的锂硫(Li-S)电池和室温钠硫电池(RT Na-S)是非常有潜力的高能量密度电池体系。目前,锂硫电池或室温钠硫电池在实际应用方面还存在一些问题,包括硫单质的绝缘性以及多硫化物的“穿梭效应”等。研究表明将聚丙烯腈聚合物与硫单质在一定温度下复合,得到的硫化聚丙烯腈(S@pPAN)作为锂硫电池或室温钠硫电池中的正极材料,能一定程度上抑制多硫化物的溶解。硒作为硫的同族元素,电子电导率远高于硫,同时本身也可以应用在高倍率的钠硒电池中。因此,我们提出将硒作为“共熔加速剂”引入到S@pPAN中,提高S@pPAN的反应动力学和电化学性能。并对这种硒掺杂的S@pPAN复合正极材料的储锂或储钠性能做了以下两点研究:(1)分析了不同温度下合成的SeS2@pPAN复合材料的形貌结构差异与电化学性能的区别。结果表明450℃下合成的SeS2@pPAN正极材料,理论比容量最高,在酯类电解液中的电化学性能最好。同时,该复合材料在醚类电解液中也表现出了优异的倍率性能,3 A g-1的电流密度下,放电比容量高达800 mAh g-1。(2)制备的Se0.08S0.92@pPAN复合正极材料在室温钠硫电池的酯类和醚类电解液中表现出优异的电化学性能。与S@pPAN相比,Se0.08S0.92@pPAN复合正极材料的电化学性能得到明显提升。进一步的动力学分析表明,少量的硒掺杂可以有效降低钠离子扩散能垒,提高钠离子扩散速度,加快反应动力学。硒作为“共熔加速剂”,可以有效抑制室温钠硫电池中多硫化物的溶出,同时,大大降低了室温钠硫电池的自放电。
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