1307-96-6 / Small：可控硫摻雜制備等級(jí)氧化鈷（II）鋰離子電池負(fù)極材料

近年來(lái)，過渡金屬氧化物（氧化鎳、氧化鐵、氧化釩等）在納米儲(chǔ)能領(lǐng)域研究廣泛。用作鋰離子負(fù)極材料時(shí)，過渡金屬氧化物具有較高的理論容量、較低的成本。其中，氧化鈷作為一種廣泛研究的負(fù)極材料，通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)進(jìn)行鋰離子存儲(chǔ)，具有遠(yuǎn)高于商用石墨負(fù)極的理論容量（714 mAh/g vs. 372 mAh/g）。然而，氧化鈷較低的電導(dǎo)率容易導(dǎo)致電極極化，并且在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的體積膨脹。這些固有的缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了氧化鈷在鋰離子電池中的實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)以上問題，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所王家成研究員和馬汝廣副研究員等采用可控硫化方法，對(duì)石墨烯（G）包覆的氧化鈷納米顆粒進(jìn)行摻雜，得到了具有優(yōu)異儲(chǔ)鋰性能的CoOS0.1@G負(fù)極材料。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Small（DOI:10.1002/smll.202003643）上。硫摻雜的氧化鈷納米顆粒由小顆粒堆積成球形，且硫原子進(jìn)入氧化鈷的晶格取代氧原子，而外部被石墨烯包裹。該結(jié)構(gòu)在增加體系導(dǎo)電性的同時(shí)，有利于抑制電極材料在充放電過程中的體積膨脹。而且，長(zhǎng)期循環(huán)過程中電極析出的硫會(huì)被牢牢吸附在石墨烯上，避免了多硫化物穿梭效應(yīng)。以上特點(diǎn)均證明了材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)。作為鋰離子電池負(fù)極材料，CoOS0.1@G 表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（0.5 A/g 電流密度下循環(huán)400圈后仍保持1573 mAh/g 的比容量）和出色的倍率性能（在5 A/g 的電流密度下仍保持627 mAh/g 的比容量）。該工作進(jìn)一步采用密度泛函理論（DFT）、有限元模擬（FEA）和鋰離子遷移動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)研究了CoOS0.1@G電極在充放電過程中的電化學(xué)行為，證明了硫化摻雜后氧化鈷具有更快的鋰離子遷移速率，更高的贗電容貢獻(xiàn)量和更穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu)。這種調(diào)控電極材料組分和電子結(jié)構(gòu)的改性策略為鋰離子電池負(fù)極材料的進(jìn)一步發(fā)展提供了新思路。